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(jìn)一步提高開關(guān)頻率。隨著開關(guān)頻率的增大，功率MOSFET的寄生特性不再可以忽略不計(jì)。對于采用ZVS拓?fù)涞墓β兽D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，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(jì)人員都使用粗略假設(shè)來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，傳統(tǒng)的等效輸出電容值在實(shí)際應(yīng)用中卻沒有多大幫助，因?yàn)樗S漏源電壓變化，并且在開關(guān)導(dǎo)通/關(guān)斷期間不能提供準(zhǔn)確的儲能信息。在功率轉(zhuǎn)換器工作電壓下，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(jì)。

ZVS轉(zhuǎn)換器的輸出電容

在軟開關(guān)拓?fù)渲?，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(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?fù)?，公式?）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(jì)，獲取準(zhǔn)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(jì)人員還需調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器參數(shù)，并經(jīng)過多次反復(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(jì)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(shí)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(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(jì)人員會對MOSFET電容溫度系數(shù)提出疑問，因?yàn)楣β蔒OSFET通常工作在高溫下?？偟膩碚f，可以認(rèn)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?yàn)镸OSFET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(dāng)溫度上升時(shí)，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(shí)，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(jì)人員感興趣的另一個(gè)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(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(gè)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(dāng)MOSFET在柵極加偏置電壓而導(dǎo)通時(shí)，輸出電容通過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試設(shè)備的限制，有時(shí)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(shí)，100kHz時(shí)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?yàn)榈蛪合碌妮敵鲭娙菸⑿∽兓粫δ墚a(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(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。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。