【導(dǎo)讀】功率轉(zhuǎn)換開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)如零電壓開(kāi)關(guān)成為通用的技術(shù)以進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增大，功率MOSFET 的寄生特性不再可忽略不計(jì)，輸出電容是所有寄生成分中至關(guān)重要的寄生參數(shù)。
對(duì)于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)如零電壓開(kāi)關(guān)(zero voltage switching，ZVS)拓?fù)涞墓β兽D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，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(lái)提供ZVS的工作條件。傳統(tǒng)上，許多設(shè)計(jì)人員使用粗略的假設(shè)來(lái)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(shí)際應(yīng)用中卻沒(méi)有很大的幫助，因?yàn)樗歉鶕?jù)漏-源電壓變化的，并且在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通/關(guān)斷轉(zhuǎn)變期間不能提供準(zhǔn)確的儲(chǔ)能信息。在功率轉(zhuǎn)換器工作電壓下，根據(jù)輸出電容存儲(chǔ)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(jì)。
ZVS轉(zhuǎn)換器中的輸出電容
在軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，通過(guò)使用電感中的儲(chǔ)能來(lái)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(guò)諧振方式使開(kāi)關(guān)管中的輸出電容放電。因此，電感必須精確設(shè)計(jì)，以防止硬開(kāi)關(guān)引起額外的功率損耗。下面的公式是零電壓開(kāi)關(guān)的基本要求。
(1)
其中，Ceq是開(kāi)關(guān)等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容
(2)
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)鋄2]，公式(2)用于LLC諧振半橋拓?fù)鋄3]。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)輸出電容過(guò) 大，公式會(huì)給出較大的電感。然后，此大電感將降低初級(jí)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(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)輸出電容值是非常關(guān)鍵的。通 常，針對(duì)等效輸出電容的常見(jiàn)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(jì)人員必須調(diào)整其功率轉(zhuǎn)換器參數(shù)，并且要經(jīng)過(guò)數(shù)次反復(fù) 設(shè)計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)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(chǔ)能來(lái)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(chǔ)能
在電壓-電荷關(guān)系圖上，電容呈斜直線，電容中的儲(chǔ)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(chǔ)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(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，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(chǔ)能可由簡(jiǎn)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(cè)量值以及由公式(3)得出的擬合曲線。相對(duì)于圖2(a)的老式技術(shù)MOSFET，它的效果不錯(cuò)。然而，對(duì)于使用新技術(shù)如超級(jí)結(jié)技 術(shù)，輸出電容有更多非線性特性的MOSFET，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)量值以及用公式(3) 得出的擬合曲線。對(duì)于等效輸出電容值，兩者之間在高電壓區(qū)的間隙會(huì)導(dǎo)致巨大的差異，因?yàn)樵诜e分公式中電壓對(duì)于電容是相乘的。圖2(b)中的估計(jì)將產(chǎn)生大得 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(chǔ)能可以使用公式(4)來(lái)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(chǔ)能由最新功率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(chǔ)能
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關(guān)于輸出電容的常見(jiàn)問(wèn)題
在許多情況下，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員會(huì)有關(guān)于MOSFET電容溫度系數(shù)的疑問(wèn)，因?yàn)楣β蔒OSFET通常工作在高溫下。總之，MOSFET電容值對(duì)于溫度可以 被認(rèn)為是恒定的。MOSFET電容由耗竭長(zhǎng)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(huì)由溫度而產(chǎn)生較大的變化。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)因溫度而產(chǎn)生較大的變化，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來(lái)決定。當(dāng)溫度上升時(shí)，等效串聯(lián)柵極電阻會(huì)有少量增加。 這會(huì)使MOSFET在高溫下的開(kāi)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(guò)150度時(shí)，電容值的變化也不超過(guò)1%。
圖4. MOSFET電容對(duì)比溫度的變化
另一個(gè)設(shè)計(jì)人員感興趣的地方是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)得。事實(shí)上存在著柵極對(duì)漏極電容、柵極對(duì)源極電容，以及漏極對(duì)源極電容。實(shí)踐中，單獨(dú)測(cè)量每一種電容是不可能的。因此，柵極對(duì)漏極電容和漏極對(duì)源極電容總稱為輸出電容，通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)電容來(lái)測(cè)量。為使它們并聯(lián)，柵極和源極短接在一起，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內(nèi)部溝道而短路。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，在低壓下輸出電容在低頻下增加少許。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處的電容是無(wú)法測(cè)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?yàn)榈碗妷合螺敵鲭娙莸奈⑿「淖儾粫?huì)對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)生如圖3顯 示那么大影響。
圖5. MOSFET電容對(duì)比頻率
結(jié)論
輸出電容是軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(cè)試條件和溫度系數(shù)的討論。
