軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電容設(shè)計(jì)

過(guò)去，許多設(shè)計(jì)人員都使用粗略假設(shè)來(lái)提供等效輸出電容值，因?yàn)檩敵鲭娙萃ǔ６贾付?5V漏源電壓。不過(guò)，傳統(tǒng)的等效輸出電容值在實(shí)際應(yīng)用中卻沒(méi)有多大幫助，因?yàn)樗S漏源電壓變化，并且在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通/關(guān)斷期間不能提供準(zhǔn)確的儲(chǔ)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(chǔ)能，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

　　ZVS轉(zhuǎn)換器的輸出電容
 

　　在軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，通過(guò)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(chǔ)能使開(kāi)關(guān)管輸出電容放電來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。因此，電感必須精確設(shè)計(jì)，以防止硬開(kāi)關(guān)引起的附加功耗。下面的公式是零電壓開(kāi)關(guān)的基本要求。

　　其中，Ceq是開(kāi)關(guān)等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容。

　　其中，CS是開(kāi)關(guān)等效輸出電容。

　　公式(1)用于移相全橋拓?fù)洌?2)用于LLC諧振半橋拓?fù)?。在兩個(gè)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(jí)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(dǎo)致較小的電感和有害的硬開(kāi)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(duì)于優(yōu)化軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，獲取準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)輸出電容值將非常關(guān)鍵。通常，針對(duì)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(jì)人員還需調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器參數(shù)，并經(jīng)過(guò)多次反復(fù)設(shè)計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能的等效輸出電容。

　　圖1：等效輸出電容的概念。

　　對(duì)于某些老式平面技術(shù)MOSFET，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)用曲線擬合來(lái)找出等效輸出電容。

　　于是，儲(chǔ)能可由簡(jiǎn)單積分公式獲得。

　　最后，有效輸出電容為：

圖2(a)顯示了輸出電容的測(cè)量值及由公式(3)得出的擬合曲線。然而，對(duì)于具有更多非線性特性的新式超級(jí)結(jié)MOSFET而言，則簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線擬合有時(shí)不夠好。圖2(b)顯示了最新技術(shù)MOSFET的輸出電容測(cè)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(dǎo)致等效輸出電容的巨大差異，因?yàn)樵诜e分公式中電壓與電容是相乘的。圖2(b)中的估計(jì)將得出大得多的等效電容，這會(huì)誤導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的初始設(shè)計(jì)。

　　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(chǔ)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(chǔ)能將由最新功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的圖表給出。通過(guò)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(chǔ)能。

　　輸出電容的常見(jiàn)問(wèn)題

　　在許多情況下，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)MOSFET電容溫度系數(shù)提出疑問(wèn)，因?yàn)楣β蔒OSFET通常工作在高溫下?？偟膩?lái)說(shuō)，可以認(rèn)為MOSFET電容對(duì)于溫度而言始終恒定。MOSFET電容由耗盡長(zhǎng)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(huì)隨溫度而產(chǎn)生較大變化。而且MOSFET開(kāi)關(guān)特性如開(kāi)關(guān)損耗或開(kāi)/關(guān)轉(zhuǎn)換速度也不會(huì)隨溫度而產(chǎn)生較大變化，因?yàn)镸OSFET是多數(shù)載流子器件，因而開(kāi)關(guān)特性主要是由其電容決定。當(dāng)溫度上升時(shí)，等效串聯(lián)柵極電阻會(huì)有略微增加。這會(huì)使MOSFET在高溫下的開(kāi)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(guò)150度時(shí)，電容值的變化也不超過(guò)1%。

　　圖4：MOSFET電容與溫度的關(guān)系。[!--empirenews.page--]設(shè)計(jì)人員感興趣的另一個(gè)地方是MOSFET電容的測(cè)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(cè)量。事實(shí)上存在著柵漏間電容、柵源間電容及漏源間電容。但實(shí)際上卻不可能單獨(dú)測(cè)量每一電容。因此，柵漏間電容和漏源間電容之和總稱(chēng)為輸出電容，通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)電容來(lái)測(cè)量。為使它們并聯(lián)，將柵極與源極短接在一起，即Vgs=0V。在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，當(dāng)MOSFET在柵極加偏置電壓而導(dǎo)通時(shí)，輸出電容通過(guò)MOSFET溝道而短路。僅當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，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(shí)稍有增加。低頻時(shí)，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備的限制，有時(shí)無(wú)法測(cè)量低漏源電壓下的電容。圖5中，當(dāng)漏源電壓小于4V時(shí)，100kHz時(shí)的電容將無(wú)法測(cè)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?yàn)榈蛪合碌妮敵鲭娙菸⑿∽兓粫?huì)對(duì)儲(chǔ)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的重要部分。設(shè)計(jì)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。