引言

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)（zero voltage switching，ZVS）成為通用的技術(shù)以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。隨著開關(guān)頻率的增大 ，功率MOSFET的寄生特性不再可忽略不計。對于采用ZVS拓?fù)涞墓β?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器設(shè)計，輸出電容是所有寄生成分中至關(guān)重要的寄生參數(shù)。它決定了需要多少電感 量來提供ZVS的工作條件。傳統(tǒng)上，許多設(shè)計人員使用粗略的假設(shè)來為公式［1-2］提供輸出電容的固定值。然而常用的等效輸出電容值在實際應(yīng)用中卻沒有很 大的幫助，因為它是根據(jù)漏-源電壓變化的，并且在開關(guān)管導(dǎo)通/關(guān)斷轉(zhuǎn)變期間不能提供準(zhǔn)確的儲能信息。在功率轉(zhuǎn)換器工作電壓下，根據(jù)輸出電容存儲能量新定義 的等效輸出電容，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計。

ZVS轉(zhuǎn)換器中的輸出電容

在軟開關(guān)拓?fù)渲?，通過使用電感中的儲能來達(dá)到零電壓導(dǎo)通，漏電感和串聯(lián)電感或變壓器中的磁化電感，通過諧振方式使開關(guān)管中的輸出電容放電。因此，電感必須精確設(shè)計，以防止硬開關(guān)引起額外的功率損耗。下面的公式是零電壓開關(guān)的基本要求。

（1）

其中，Ceq是開關(guān)等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容

（2）

其中，CS是開關(guān)等效輸出電容

公式（1）用于移相全橋拓?fù)洌?］，公式（2）用于LLC諧振半橋拓?fù)洌?］。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)輸出電容過 大，公式會給出較大的電感。然后，此大電感將降低初級di/dt，并且減低功率轉(zhuǎn)換器的有效占空比。相反，太小的輸出電容將導(dǎo)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(zhǔn)確的開關(guān)輸出電容值是非常關(guān)鍵的。通 常，針對等效輸出電容的常見假設(shè)傾向于使用較大的數(shù)值。所以，根據(jù)公式（1）或（2）選擇電感后，設(shè)計人員必須調(diào)整其功率轉(zhuǎn)換器參數(shù)，并且要經(jīng)過數(shù)次反復(fù) 設(shè)計，因為每個參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的，例如，匝數(shù)比、漏電感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的輸出電容是根據(jù)漏-源電壓變化的。在功率轉(zhuǎn)換器工作 電壓下，根據(jù)儲能來等效出的輸出電容值是這些應(yīng)用的最佳替代選擇。

從輸出電容中獲得儲能

在電壓-電荷關(guān)系圖上，電容呈斜直線，電容中的儲能為該直線下包含的區(qū)域。雖然功率MOSFET的輸出電容卻是非線性的，并且依據(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所包含的區(qū)域。因此，如果我們能夠找出一條直線，由該直線給出的區(qū)域與圖1中顯示的變化的輸出電容曲線所包含的 區(qū)域相同，則直線的斜率恰好是產(chǎn)生相同的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，其基于通常指定的25V漏源電壓下的數(shù)據(jù)表中的輸出電容值。

（3）

于是，儲能可由簡單積分公式獲得。

（4）

最后，有效輸出電容即為

（5）

圖2顯示了輸出電容的測量值以及由公式（3）得出的擬合曲線。相對于圖2（a）的老式技術(shù)MOSFET，它的效果不錯。然而，對于使用新技術(shù)如超級結(jié)技 術(shù)，輸出電容有更多非線性特性的MOSFET，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的輸出電容測量值以及用公式（3） 得出的擬合曲線。對于等效輸出電容值，兩者之間在高電壓區(qū)的間隙會導(dǎo)致巨大的差異，因為在積分公式中電壓對于電容是相乘的。圖2（b）中的估計將產(chǎn)生大得 多的等效電容，這會誤導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的初始設(shè)計。

圖2. 輸出電容估值，（a）老式MOSFET，（b）新MOSFET

如果輸出電容值依據(jù)漏源電壓而變化，輸出電容中的儲能可以使用公式（4）來求得。雖然電容曲線顯示在數(shù)據(jù)表中，但從圖表中精確地讀出電容值并不容易。因 此，依據(jù)漏源電壓，輸出電容中的儲能由最新功率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），可以得到在期望的直流（DC）總線 電壓下的等效輸出電容。

圖3. 輸出電容中的儲能

關(guān)于輸出電容的常見問題

在許多情況下，開關(guān)電源設(shè)計人員會有關(guān)于MOSFET電容溫度系數(shù)的疑問，因為功率MOSFET通常工作在高溫下?？傊?，MOSFET電容值對于溫度可以 被認(rèn)為是恒定的。MOSFET電容由耗竭長度（depletion length）、摻雜濃度、溝道寬度和硅介電常數(shù)所決定，但所有這些因素不會由溫度而產(chǎn)生較大的變化。而且MOSFET開關(guān)特性如開關(guān)損耗或開/關(guān)轉(zhuǎn)換速 度也不會因溫度而產(chǎn)生較大的變化，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來決定。當(dāng)溫度上升時，等效串聯(lián)柵極電阻會有少量增加。 這會使MOSFET在高溫下的開關(guān)速度少許降低。圖4顯示了依據(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電容對比溫度的變化

另一個設(shè)計人員感興趣的地方是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的條件下測得。事實上存在著柵極對漏極電容、柵極對源極電容，以及漏極對源極電容。實踐中，單獨測量每一種電容是不可能的。因此，柵極對漏極電容和漏極對源極電容總稱為輸出電容，通過并聯(lián)兩個電容來測量。為使它們并聯(lián)，柵極和源極短接在一起，即Vgs=0V。 在開關(guān)應(yīng)用中，當(dāng)MOSFET在柵極加偏置電壓而導(dǎo)通時，輸出電容通過MOSFET內(nèi)部溝道而短路。僅當(dāng)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，在低壓下輸出電容在低頻下增加少許。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(dāng)漏源電壓小于4V 時，100kHz處的電容是無法測得的。雖然輸出電容僅有微小改變，但等效輸出電容幾乎是恒定的，因為低電壓下輸出電容的微小改變不會對儲能產(chǎn)生如圖3顯 示那么大影響。

圖5. MOSFET電容對比頻率

結(jié)論

輸出電容是軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計的重要部分。必須慎重考慮等效電容值，而不是固定漏源電壓下的單一數(shù)值，本文也提供了有關(guān)輸出電容測試條件和溫度系數(shù)的討論。

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