开关器件：现实开关有两种发热
改变开关频率，找出两种损耗交替的位置
波形是一个开关周期内器件两端的电压 Vds 和流过器件的电流 Id。导通区间电压几乎为 0，只产生很小的导通损耗（琥珀色）；在通断切换的瞬间，电压和电流同时很大，冒出红色的损耗峰。提高开关频率，周期变短，切换峰所占的比例变大，开关损耗就超过导通损耗。指示器显示两种损耗、它们之和以及相对输出功率的效率。
导通的代价：导通电阻产生导通损耗
理想开关导通时两端电压为 0，但现实中的功率 MOSFET 导通后仍留有很小的导通电阻 Ron。所以电流 Io 流过时，器件上会有 Io·Ron 的电压，导通期间导通损耗 P_cond = Io²·Ron 变成热。一个周期中导通时间所占的比例是占空比 D，所以平均为 P_cond = Io²·Ron·D。这个损耗与通断次数无关，只由电流和导通电阻决定，并随电流的平方增长。电流相同时，Ron 越低的器件发热越少。
切换的瞬间：交叠产生开关损耗
切换不是一瞬间就完成的。器件导通和关断都要花一点时间，这期间电压还没完全降下来，电流却已经在上升，两者重叠。在电压和电流同时很大的那一瞬间，P = Vds·Id 猛然升高。把导通时间与关断时间之和记为 tsw，每个周期就有能量 E_sw = ½·Vds·Io·tsw 变成热散失。这个损耗每个周期发生一次，所以每秒开关 fsw 次时，开关损耗 P_sw = E_sw·fsw，与频率成正比。与导通损耗不同，开关越快，漏掉得越频繁。
权衡，所以追逐更快、更低电阻
那为什么还要提高频率呢？正如 F1 中看到的，开关输出由占空比决定，把小段平滑开来的工作由电感和电容承担。提高频率，就能用更小的电感和电容完成同样的平滑，电源变得更小更轻。代价就是开关损耗，所以设计总是权衡。为了做小而提高频率，开关损耗增加；为了减少损耗而降低频率，电路变大。一次解开这场拉锯的办法是更好的器件。导通电阻更低，导通损耗减少；切换更快（tsw 更短），开关损耗减少。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这类宽禁带器件，能用更薄的层承受同样的耐压，同时降低两种损耗，让电力电子变得更小、更高效。
回到第一屏
开关频率低时，损耗几乎只有琥珀色的导通损耗；提高频率后，红色的切换峰频繁出现，开关损耗超过了导通损耗。导通期间的代价是导通电阻造成的 P_cond = Io²·Ron·D，通断的代价是电压与电流重叠造成的 P_sw = E_sw·fsw。F1 中假设为理想的开关，实际就是这个样子。同时降低两种损耗的办法是更低的导通电阻和更快的切换，也就是更好的器件，而区分这些器件的基础，是本专题第一个单元看到的能带。从能带到载流子，到结和二极管，再到晶体管的放大与开关，这一条线索在这里合上。
结束本轨
电子学专题到这里结束。从能带提出的问题，即什么让材料导电出发，掺杂决定了载流子，漂移和扩散让载流子运动，pn 结成了单向阀。用这个阀整流、塑造波形；薄基区的 BJT 和绝缘栅的 MOSFET 用小输入掌控大电流，带来了放大。差分级和运放、它们的带宽与压摆率限制，以及滤波器处理了信号；最后，同一个晶体管被当作开关，用来高效地处理电力本身。如何驾驭电子这一根线，从头到尾贯穿了全部 24 个单元。