1.3 理想开关的开关过程

1.3.1 理想开关

二极管的开关功能源于其固有的单向导电特性，它是一种不可控开关，由施加在二极管阴阳两端的电压决定，二极管开关工作时有损耗。机械开关可以是电控开关，但开关速度低。二极管和机械开关都不是理想开关。对于一个理想开关，其特点是具有零通态压降、零断态电流和零开关时间，高速长时间反复导通与关断，开关不损坏。如果开关的电压、电流和功率分别表示为uSW、iSW和pSW，则理想开关的特性描述如下。

通态：

断态：

开关：pSW=0

1.3.2 电感负载的理想开关过程

一个由理想开关S、电感L和直流恒压源US组成的电路如图1.23所示，图中明确了理想开关S的电压uSW和电流iSW的方向，很显然电感电流iL与理想开关的电流iSW相等。

（1）电感负载的理想开关由断开到闭合的开通过程。假设电感L的初始电压为0，那么当理想开关S处于断开状态时，开关电压uSW等于直流电源电压，电流iSW为0。当S闭合时，电压uSW等于0，电流iSW逐渐增大。根据电感的电压电流特性，可得

如果理想开关闭合的时刻为ton，那么开关S闭合后电感电流iSW为

理想开关闭合后的压降为0，因此

即有

在电感负载下，理想开关闭合后，开关压降为0，电感电流没有发生突变，而是从0开始线性上升，如图1.24（a）所示。

（2）电感负载的理想开关由闭合到断开的关断过程。假设电感电流iL在toff时刻的非零状态IL下，理想开关S从闭合状态断开，电感电流iL突变为0。在极短的时间内，电感的感应电压形成强大的脉冲电压施加在开关上，如图1.24（b）所示。

如果电感电流的突变时间为△t，则有

对理想开关的端电压求极限

这说明理想开关端电压存在突变。在实际电路中，确保电感电流回路畅通，才能安全切断开关，否则断开的开关产生电弧，容易被烧毁。

1.3.3 电容负载的理想开关过程

假设一个理想开关S与电容C并联，由一个恒流源IS供电，它们的电路如图1.25所示。图1.25中规定了理想开关的电压uSW和电流iSW的方向，并联电容的端电压uC等于理想开关的端电压。

（1）电容负载的理想开关由断开到闭合的开通过程。在理想开关S处于断开状态时，恒流源IS一直对电容C充电，电容的端电压逐渐上升。根据电容的电压电流特性方程，可得

两边积分，并移项得

理想开关S断开时，电容的充电电流iC等于恒流源电流IS，因此

即有

这样，在理想开关S从断开状态到闭合状态的这一时刻ton，电容C有初始电压UC0。理想开关闭合瞬间，电容C通过理想开关S放电，而且恒流源的电流路径也从向电容充电改为流经理想开关。此时，理想开关流过的电流为

将电容特性代入上式，可得

理想开关闭合后，电容C的端电压在极短的时间△t内发生突变，从初始值UC0瞬变为0，理想开关瞬间流过极大的电流，即

对理想开关的端电压求极限，则

由此可知，理想开关S从断开到闭合瞬间，并联电容的端电压发生突变，导致开关电流急剧增大，产生了电流浪涌。

当并联容性负载的理想开关断开时，开关的电压线性增长，电流为0；当理想开关闭合时，开关的电压突变为0，电流则出现尖峰现象，如图1.26（a）所示。

（2）电容负载的理想开关由闭合到断开的关断过程。当理想开关S处于闭合状态时，开关的端电压uSW为0，开关的电流iSW为恒流源IS，电容的电压uC和电流iC都变为0。如果理想开关在toff时刻断开，那么恒流源IS的电流径从理想开关切换到电容，也就是对电容充电。这样，电容C的充电电流保持恒定，它的端电压从0开始线性增长；同时，理想开关S的突变电流为零，它的端电压与电容电压相等，如图1.26（b）所示。

在理想开关从闭合到断开的开关过程中，与开关并联的电容的端电压没有发生突变，从零开始增长，因此开关电流没有出现尖峰。