發布日期：2022-10-09 點擊率：67
【導讀】功率轉換開關頻率一直在不斷提高，以便最大限度地提升功率密度，軟開關技術如零電壓開關成為通用的技術以進一步提高開關頻率。隨著開關頻率的增大，功率MOSFET 的寄生特性不再可忽略不計，輸出電容是所有寄生成分中至關重要的寄生參數。
對于采用軟開關技術如零電壓開關(zero voltage switching，ZVS)拓撲的功率轉換器設計，輸出電容是所有寄生成分中至關重要的寄生參數。它決定了需要多少電感量來提供ZVS的工作條件。傳統上，許多設計人員使用粗略的假設來為公式[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用中卻沒有很大的幫助，因為它是根據漏-源電壓變化的，并且在開關管導通/關斷轉變期間不能提供準確的儲能信息。在功率轉換器工作電壓下，根據輸出電容存儲能量新定義的等效輸出電容，能夠實現更優化的功率轉換器設計。
ZVS轉換器中的輸出電容
在軟開關拓撲中，通過使用電感中的儲能來達到零電壓導通，漏電感和串聯電感或變壓器中的磁化電感，通過諧振方式使開關管中的輸出電容放電。因此，電感必須精確設計，以防止硬開關引起額外的功率損耗。下面的公式是零電壓開關的基本要求。
(1)
其中，Ceq是開關等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容
(2)
其中，CS是開關等效輸出電容
公式(1)用于移相全橋拓撲[2]，公式(2)用于LLC諧振半橋拓撲[3]。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。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電流的增加。因此，對于優化軟開關轉換器設計，獲取準確的開關輸出電容值是非常關鍵的。通 常，針對等效輸出電容的常見假設傾向于使用較大的數值。所以，根據公式(1)或(2)選擇電感后，設計人員必須調整其功率轉換器參數，并且要經過數次反復 設計，因為每個參數都是相互關聯的，例如，匝數比、漏電感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的輸出電容是根據漏-源電壓變化的。在功率轉換器工作 電壓下，根據儲能來等效出的輸出電容值是這些應用的最佳替代選擇。
從輸出電容中獲得儲能
在電壓-電荷關系圖上，電容呈斜直線，電容中的儲能為該直線下包含的區域。雖然功率MOSFET的輸出電容卻是非線性的，并且依據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域。因此，如果我們能夠找出一條直線，由該直線給出的區域與圖1中顯示的變化的輸出電容曲線所包含的 區域相同，則直線的斜率恰好是產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MOSFET，設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漏源電壓下的數據表中的輸出電容值。
(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MOSFET，它的效果不錯。然而，對于使用新技術如超級結技 術，輸出電容有更多非線性特性的MOSFET，則簡單的指數曲線擬合有時不夠好。圖2(b)顯示了最新技術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的間隙會導致巨大的差異，因為在積分公式中電壓對于電容是相乘的。圖2(b)中的估計將產生大得 多的等效電容，這會誤導轉換器的初始設計。
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據表中，但從圖表中精確地讀出電容值并不容易。因 此，依據漏源電壓，輸出電容中的儲能由最新功率MOSFET數據表中的圖表給出。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
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關于輸出電容的常見問題
在許多情況下，開關電源設計人員會有關于MOSFET電容溫度系數的疑問，因為功率MOSFET通常工作在高溫下。總之，MOSFET電容值對于溫度可以 被認為是恒定的。MOSFET電容由耗竭長度（depletion length）、摻雜濃度、溝道寬度和硅介電常數所決定，但所有這些因素不會由溫度而產生較大的變化。而且MOSFET開關特性如開關損耗或開/關轉換速 度也不會因溫度而產生較大的變化，因為MOSFET是多數載流子器件，因而開關特性主要是由其電容來決定。當溫度上升時，等效串聯柵極電阻會有少量增加。 這會使MOSFET在高溫下的開關速度少許降低。圖4顯示了依據溫度變化的電容。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
另一個設計人員感興趣的地方是MOSFET電容的測試條件。大多數情況下，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，通過并聯兩個電容來測量。為使它們并聯，柵極和源極短接在一起，即Vgs=0V。 在開關應用中，當MOSFET在柵極加偏置電壓而導通時，輸出電容通過MOSFET內部溝道而短路。僅當MOSFET關斷時，輸出電容值才值得考慮。關于 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生如圖3顯 示那么大影響。
圖5. MOSFET電容對比頻率
結論
輸出電容是軟開關轉換器設計的重要部分。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值，本文也提供了有關輸出電容測試條件和溫度系數的討論。
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