零電壓切換及其穩(wěn)壓重要性綜述

　　為了提升效率，功率密度 （W/m3） 和 DC 電源電壓水平不斷提升，同時硅器件的電壓需要不斷降低，這使得降壓型 DC-DC 穩(wěn)壓器電路的設(shè)計變得愈加困難。 電源電壓和硅器件所需電壓之間的差異會在穩(wěn)壓器上產(chǎn)生一個大壓降，從而增大切換損耗并最終限制該器件的切換頻率。

　　例如，過程控制系統(tǒng)可能需要在 3.3 - 24 V 之間進(jìn)行穩(wěn)壓——之間的差距通常必須利用兩個穩(wěn)壓級來彌補(bǔ)，因此增加了板空間、成本和可靠性問題。 而且有限的切換頻率是一個不利因素，會迫使工程師們在濾波電路中采用更大的磁體和其它無源元件，從而增大了解決方案尺寸并影響到功率密度。

　　零電壓切換 （ZVS） 是一種能在更高電壓和電壓降條件下恢復(fù)至較快切換頻率的解決方案。 與當(dāng)代幾乎所有開關(guān)式穩(wěn)壓器一樣，這種技術(shù)采用基于脈寬調(diào)制 （PWM） 工作模式，但 PWM 定時會有一個附加獨立相位來使 ZVS 工作。 ZVS 會使穩(wěn)壓器參與“軟切換”，以避免通常在傳統(tǒng) PWM 工作和定時期間產(chǎn)生的切換損耗。

　　本文將介紹 ZVS 并詳細(xì)解釋其優(yōu)勢。

　　硬切換損耗

　　當(dāng)代的大多數(shù)非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生大量切換損耗，這是因為在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間，在穩(wěn)壓器的集成式金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管 （MOSFET） 開關(guān)上同時出現(xiàn)了高電流和高電壓壓力。 這些損耗會隨著開關(guān)頻率的提高而增大，并制約最高頻率工作、效率和功率密度。

　　當(dāng) MOSFET 關(guān)斷和導(dǎo)通時，在電流和電壓重疊期間發(fā)生硬切換。 穩(wěn)壓器制造商嘗試通過提高切換波形中的電流變化率 （di/dt ） 和電壓變化率 （dv/dt） 來最大限度減少這種重疊，進(jìn)而最大限度減小切換損耗。 圖 1 和圖 2 展示了切換損耗發(fā)生位置，以及為了最大限度降低這種損耗而設(shè)計的快速變化電壓的實際切換波形。