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軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電容分析

發(fā)布時間:2011-11-03

中心議題:

  • ZVS轉(zhuǎn)換器的輸出電容
  • 從輸出電容中獲得儲能
  • 輸出電容的常見問題


功率轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率一直在不斷提高,以便最大限度地提升功率密度,軟開關(guān)技術(shù)如零電壓開關(guān)(ZVS)正逐漸普及以進一步提高開關(guān)頻率。隨著開關(guān)頻率的增大,功率MOSFET的寄生特性不再可以忽略不計。對于采用ZVS拓撲的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計,在所有寄生元素中最為重要的寄生參數(shù)就是輸出電容,它決定了需要多少電感來提供ZVS的工作條件。

過去,許多設(shè)計人員都使用粗略假設(shè)來提供等效輸出電容值,因為輸出電容通常都指定為25V漏源電壓。不過,傳統(tǒng)的等效輸出電容值在實際應(yīng)用中卻沒有多大幫助,因為它隨漏源電壓變化,并且在開關(guān)導通/關(guān)斷期間不能提供準確的儲能信息。在功率轉(zhuǎn)換器工作電壓下,新定義的輸出電容提供等效的儲能,能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計。

ZVS轉(zhuǎn)換器的輸出電容

在軟開關(guān)拓撲中,通過諧振作用,利用電感(漏電感和串聯(lián)電感或變壓器中的磁化電感)中的儲能使開關(guān)管輸出電容放電來實現(xiàn)零電壓導通。因此,電感必須精確設(shè)計,以防止硬開關(guān)引起的附加功耗。下面的公式是零電壓開關(guān)的基本要求。

其中,Ceq是開關(guān)等效輸出電容,CTR是變壓器寄生電容。

其中,CS是開關(guān)等效輸出電容。

公式(1)用于移相全橋拓撲,公式(2)用于LLC諧振半橋拓撲。在兩個公式中輸出電容都起著重要作用。如果在公式(1)中假設(shè)輸出電容很大,則由公式將得出較大的電感。然后,此大電感將降低初級di/dt,并降低功率轉(zhuǎn)換器的有效占空比。相反,太小的輸出電容將導致較小的電感和有害的硬開關(guān)。另外,公式(2)中太大的輸出電容將限制磁化電感并引起循環(huán)電流的增加。因此,對于優(yōu)化軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計,獲取準確的開關(guān)輸出電容值將非常關(guān)鍵。通常,針對等效輸出電容的傳統(tǒng)假設(shè)傾向于使用較大數(shù)值。所以,根據(jù)公式(1)或(2)選擇電感后,設(shè)計人員還需調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器參數(shù),并經(jīng)過多次反復設(shè)計,因為每個參數(shù)都相互關(guān)聯(lián),例如,匝數(shù)比、漏電感、以及有效占空比。而且,功率MOSFET的輸出電容將跟隨漏源電壓變化。在功率轉(zhuǎn)換器工作電壓下,提供等效儲能的輸出電容是這些應(yīng)用的最佳選擇。

從輸出電容中獲得儲能

在電壓與電荷關(guān)系圖(圖1)上,電容為直線的斜率,電容中的儲能為該直線下包含的面積。雖然功率MOSFET的輸出電容呈非線性,并依據(jù)漏源電壓的變化而變化,但是輸出電容中的儲能仍為非線性電容線下的面積。因此,如果我們能夠找出一條直線,由該直線給出的面積與圖1所示變化的輸出電容曲線所包含的面積相同,則直線的斜率恰好是產(chǎn)生相同儲能的等效輸出電容。


圖1:等效輸出電容的概念

對于某些老式平面技術(shù)MOSFET,設(shè)計人員可能會用曲線擬合來找出等效輸出電容。

于是,儲能可由簡單積分公式獲得。

最后,有效輸出電容為:
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圖2(a)顯示了輸出電容的測量值及由公式(3)得出的擬合曲線。然而,對于具有更多非線性特性的新式超級結(jié)MOSFET而言,則簡單的指數(shù)曲線擬合有時不夠好。圖2(b)顯示了最新技術(shù)MOSFET的輸出電容測量值及用公式(3)得出的擬合曲線。兩者在高壓區(qū)的差距將導致等效輸出電容的巨大差異,因為在積分公式中電壓與電容是相乘的。圖2(b)中的估計將得出大得多的等效電容,這會誤導轉(zhuǎn)換器的初始設(shè)計。


圖2:輸出電容估算:(a)老式MOSFET,(b)新式MOSFET

如果依據(jù)漏源電壓變化的輸出電容值可得,則輸出電容儲能可用公式(4)求出。雖然電容曲線顯示在數(shù)據(jù)表中,但要想從圖表中精確讀出電容值并不容易。因此,依據(jù)漏源電壓變化的輸出電容儲能將由最新功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的圖表給出。通過圖3顯示的曲線,使用公式(5)可以得到期望的直流總線電壓下的等效輸出電容。


圖3:輸出電容中的儲能

輸出電容的常見問題

在許多情況下,開關(guān)電源設(shè)計人員會對MOSFET電容溫度系數(shù)提出疑問,因為功率MOSFET通常工作在高溫下??偟膩碚f,可以認為MOSFET電容對于溫度而言始終恒定。MOSFET電容由耗盡長度、摻雜濃度、溝道寬度和硅介電常數(shù)所決定,但所有這些因素都不會隨溫度而產(chǎn)生較大變化。而且MOSFET開關(guān)特性如開關(guān)損耗或開/關(guān)轉(zhuǎn)換速度也不會隨溫度而產(chǎn)生較大變化,因為MOSFET是多數(shù)載流子器件,因而開關(guān)特性主要是由其電容決定。當溫度上升時,等效串聯(lián)柵極電阻會有略微增加。這會使MOSFET在高溫下的開關(guān)速度稍許降低。圖4顯示了根據(jù)溫度變化的電容。溫度變化超過150度時,電容值的變化也不超過1%。


圖4:MOSFET電容與溫度的關(guān)系

設(shè)計人員感興趣的另一個地方是MOSFET電容的測試條件。大多數(shù)情況下,輸出電容在1MHz頻率和Vgs為0V的條件下測量。事實上存在著柵漏間電容、柵源間電容及漏源間電容。但實際上卻不可能單獨測量每一電容。因此,柵漏間電容和漏源間電容之和總稱為輸出電容,通過并聯(lián)兩個電容來測量。為使它們并聯(lián),將柵極與源極短接在一起,即Vgs=0V。在開關(guān)應(yīng)用中,當MOSFET在柵極加偏置電壓而導通時,輸出電容通過MOSFET溝道而短路。僅當MOSFET關(guān)斷時,輸出電容值才值得考慮。關(guān)于頻率,如圖5所示,低壓下的輸出電容在低頻時稍有增加。低頻時,因為測試設(shè)備的限制,有時無法測量低漏源電壓下的電容。圖5中,當漏源電壓小于4V時,100kHz時的電容將無法測出。雖然輸出電容存在微小變化,但是等效輸出電容卻幾乎恒定,因為低壓下的輸出電容微小變化不會對儲能產(chǎn)生如圖3所示那樣大的影響。


圖5:MOSFET電容與頻率的關(guān)系

本文小結(jié)

輸出電容是軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計的重要部分。設(shè)計人員必須慎重考慮等效電容值,而不是將其固定為漏源電壓下的單一數(shù)值。除此之外,本文還提供了有關(guān)輸出電容測試條件和溫度系數(shù)的討論。

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