软开关转换器的输出电容分析

中心议题：
  ZVS转换器的输出电容
  从输出电容中获得储能
  输出电容的常见问题
   
功率转换开关频率一直在不断提高，以便最大限度地提升功率密度，软开关技术如零电压开关（ZVS）正逐渐普及以进一步提高开关频率。随着开关频率的增大，功率MOSFET的寄生特性不再可以忽略不计。对于采用ZVS拓扑的功率转换器设计，在所有寄生元素中最为重要的寄生参数就是输出电容，它决定了需要多少电感来提供ZVS的工作条件。

过去，许多设计人员都使用粗略假设来提供等效输出电容值，因为输出电容通常都指定为25V漏源电压。不过，传统的等效输出电容值在实际应用中却没有多大帮助，因为它随漏源电压变化，并且在开关导通/关断期间不能提供准确的储能信息。在功率转换器工作电压下，新定义的输出电容提供等效的储能，能够实现更优化的功率转换器设计。

ZVS转换器的输出电容

在软开关拓扑中，通过谐振作用，利用电感（漏电感和串联电感或变压器中的磁化电感）中的储能使开关管输出电容放电来实现零电压导通。因此，电感必须精确设计，以防止硬开关引起的附加功耗。下面的公式是零电压开关的基本要求。

其中，Ceq是开关等效输出电容，CTR是变压器寄生电容。

其中，CS是开关等效输出电容。

公式（1）用于移相全桥拓扑，公式（2）用于LLC谐振半桥拓扑。在两个公式中输出电容都起着重要作用。如果在公式（1）中假设输出电容很大，则由公式将得出较大的电感。然后，此大电感将降低初级di/dt，并降低功率转换器的有效占空比。相反，太小的输出电容将导致较小的电感和有害的硬开关。另外，公式（2）中太大的输出电容将限制磁化电感并引起循环电流的增加。因此，对于优化软开关转换器设计，获取准确的开关输出电容值将非常关键。通常，针对等效输出电容的传统假设倾向于使用较大数值。所以，根据公式（1）或（2）选择电感后，设计人员还需调整功率转换器参数，并经过多次反复设计，因为每个参数都相互关联，例如，匝数比、漏电感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的输出电容将跟随漏源电压变化。在功率转换器工作电压下，提供等效储能的输出电容是这些应用的最佳选择。

从输出电容中获得储能

在电压与电荷关系图（图1）上，电容为直线的斜率，电容中的储能为该直线下包含的面积。虽然功率MOSFET的输出电容呈非线性，并依据漏源电压的变化而变化，但是输出电容中的储能仍为非线性电容线下的面积。因此，如果我们能够找出一条直线，由该直线给出的面积与图1所示变化的输出电容曲线所包含的面积相同，则直线的斜率恰好是产生相同储能的等效输出电容。
   
图1：等效输出电容的概念
   于某些老式平面技术MOSFET，设计人员可能会用曲线拟合来找出等效输出电容。

于是，储能可由简单积分公式获得。

最后，有效输出电容为：

   
图2（a）显示了输出电容的测量值及由公式（3）得出的拟合曲线。然而，对于具有更多非线性特性的新式超级结MOSFET而言，则简单的指数曲线拟合有时不够好。图2（b）显示了最新技术MOSFET的输出电容测量值及用公式（3）得出的拟合曲线。两者在高压区的差距将导致等效输出电容的巨大差异，因为在积分公式中电压与电容是相乘的。图2（b）中的估计将得出大得多的等效电容，这会误导转换器的初始设计。
   
   
图2：输出电容估算：（a）老式MOSFET，（b）新式MOSFET
   如果依据漏源电压变化的输出电容值可得，则输出电容储能可用公式（4）求出。虽然电容曲线显示在数据表中，但要想从图表中精确读出电容值并不容易。因此，依据漏源电压变化的输出电容储能将由最新功率MOSFET数据表中的图表给出。通过图3显示的曲线，使用公式（5）可以得到期望的直流总线电压下的等效输出电容。
   
图3：输出电容中的储能
   输出电容的常见问题

在许多情况下，开关电源设计人员会对MOSFET电容温度系数提出疑问，因为功率MOSFET通常工作在高温下。总的来说，可以认为MOSFET电容对于温度而言始终恒定。MOSFET电容由耗尽长度、掺杂浓度、沟道宽度和硅介电常数所决定，但所有这些因素都不会随温度而产生较大变化。而且MOSFET开关特性如开关损耗或开/关转换速度也不会随温度而产生较大变化，因为MOSFET是多数载流子器件，因而开关特性主要是由其电容决定。当温度上升时，等效串联栅极电阻会有略微增加。这会使MOSFET在高温下的开关速度稍许降低。图4显示了根据温度变化的电容。温度变化超过150度时，电容值的变化也不超过1%。
   
图4：MOSFET电容与温度的关系
   设计人员感兴趣的另一个地方是MOSFET电容的测试条件。大多数情况下，输出电容在1MHz频率和Vgs为0V的条件下测量。事实上存在着栅漏间电容、栅源间电容及漏源间电容。但实际上却不可能单独测量每一电容。因此，栅漏间电容和漏源间电容之和总称为输出电容，通过并联两个电容来测量。为使它们并联，将栅极与源极短接在一起，即Vgs=0V。在开关应用中，当MOSFET在栅极加偏置电压而导通时，输出电容通过MOSFET沟道而短路。仅当MOSFET关断时，输出电容值才值得考虑。关于频率，如图5所示，低压下的输出电容在低频时稍有增加。低频时，因为测试设备的限制，有时无法测量低漏源电压下的电容。图5中，当漏源电压小于4V时，100kHz时的电容将无法测出。虽然输出电容存在微小变化，但是等效输出电容却几乎恒定，因为低压下的输出电容微小变化不会对储能产生如图3所示那样大的影响。
   
图5：MOSFET电容与频率的关系
   本文小结

输出电容是软开关转换器设计的重要部分。设计人员必须慎重考虑等效电容值，而不是将其固定为漏源电压下的单一数值。除此之外，本文还提供了有关输出电容测试条件和温度系数的讨论。