软开关转换器中输出电容的考虑事项

作者：飞兆半导体公司 Sungmo Young

引言

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(zero voltage switching，ZVS)成为通用的技术以进一步提高开关频率。随着开关频率的增大 ，功率MOSFET的寄生特性不再可忽略不计。对于采用ZVS拓扑的功率转换器设计，输出电容是所有寄生成分中至关重要的寄生参数。它决定了需要多少电感 量来提供ZVS的工作条件。传统上，许多设计人员使用粗略的假设来为公式[1-2]提供输出电容的固定值。然而常用的等效输出电容值在实际应用中却没有很 大的帮助，因为它是根据漏-源电压变化的，并且在开关管导通/关断转变期间不能提供准确的储能信息。在功率转换器工作电压下，根据输出电容存储能量新定义 的等效输出电容，能够实现更优化的功率转换器设计。

ZVS转换器中的输出电容

在软开关拓扑中，通过使用电感中的储能来达到零电压导通，漏电感和串联电感或变压器中的磁化电感，通过谐振方式使开关管中的输出电容放电。因此，电感必须精确设计，以防止硬开关引起额外的功率损耗。下面的公式是零电压开关的基本要求。


        (1)

其中，Ceq是开关等效输出电容，CTR是变压器寄生电容


        (2)

其中，CS是开关等效输出电容

公式(1)用于移相全桥拓扑[2]，公式(2)用于LLC谐振半桥拓扑[3]。在两个公式中输出电容都起着重要作用。如果在公式(1)中假设输出电容过 大，公式会给出较大的电感。然后，此大电感将降低初级di/dt，并且减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是非常关键的。通 常，针对等效输出电容的常见假设倾向于使用较大的数值。所以，根据公式(1)或(2)选择电感后，设计人员必须调整其功率转换器参数，并且要经过数次反复 设计，因为每个参数都是相互关联的，例如，匝数比、漏电感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的输出电容是根据漏-源电压变化的。在功率转换器工作 电压下，根据储能来等效出的输出电容值是这些应用的最佳替代选择。

从输出电容中获得储能

在电压-电荷关系图上，电容呈斜直线，电容中的储能为该直线下包含的区域。虽然功率MOSFET的输出电容却是非线性的，并且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所包含的区域。因此，如果我们能够找出一条直线，由该直线给出的区域与图1中显示的变化的输出电容曲线所包含的 区域相同，则直线的斜率恰好是产生相同的储能的等效输出电容。


图1. 等效输出电容的概念

对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，其基于通常指定的25V漏源电压下的数据表中的输出电容值。


        (3)

于是，储能可由简单积分公式获得。


        (4)

最后，有效输出电容即为


          (5)

图2显示了输出电容的测量值以及由公式(3)得出的拟合曲线。相对于图2(a)的老式技术MOSFET，它的效果不错。然而，对于使用新技术如超级结技 术，输出电容有更多非线性特性的MOSFET，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的输出电容测量值以及用公式(3) 得出的拟合曲线。对于等效输出电容值，两者之间在高电压区的间隙会导致巨大的差异，因为在积分公式中电压对于电容是相乘的。图2(b)中的估计将产生大得 多的等效电容，这会误导转换器的初始设计。


图2. 输出电容估值，(a)老式MOSFET，(b)新MOSFET

如果输出电容值依据漏源电压而变化，输出电容中的储能可以使用公式(4)来求得。虽然电容曲线显示在数据表中，但从图表中精确地读出电容值并不容易。因 此，依据漏源电压，输出电容中的储能由最新功率MOSFET数据表中的图表给出。通过图3显示的曲线，使用公式(5)，可以得到在期望的直流(DC)总线 电压下的等效输出电容。


图3. 输出电容中的储能

关于输出电容的常见问题

在许多情况下，开关电源设计人员会有关于MOSFET电容温度系数的疑问，因为功率MOSFET通常工作在高温下。总之，MOSFET电容值对于温度可以 被认为是恒定的。MOSFET电容由耗竭长度（depletion length）、掺杂浓度、沟道宽度和硅介电常数所决定，但所有这些因素不会由温度而产生较大的变化。而且MOSFET开关特性如开关损耗或开/关转换速 度也不会因温度而产生较大的变化，因为MOSFET是多数载流子器件，因而开关特性主要是由其电容来决定。当温度上升时，等效串联栅极电阻会有少量增加。 这会使MOSFET在高温下的开关速度少许降低。图4显示了依据温度变化的电容。温度变化超过150度时，电容值的变化也不超过1%。


图4. MOSFET电容对比温度的变化

另一个设计人员感兴趣的地方是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的条件下测得。事实上存在着栅极对漏极电容、栅极对源极电容，以及漏极对源极电容。实践中，单独测量每一种电容是不可能的。因此，栅极对漏极电容和漏极对源极电容总称为输出电容，通过并联两个电容来测量。为使它们并联，栅极和源极短接在一起，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内部沟道而短路。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，在低压下输出电容在低频下增加少许。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处的电容是无法测得的。虽然输出电容仅有微小改变，但等效输出电容几乎是恒定的，因为低电压下输出电容的微小改变不会对储能产生如图3显 示那么大影响。


图5. MOSFET电容对比频率

结论

输出电容是软开关转换器设计的重要部分。必须慎重考虑等效电容值，而不是固定漏源电压下的单一数值，本文也提供了有关输出电容测试条件和温度系数的讨论。