【电子基础知识】功率MOSFET零电压软开关ZVS讲解

鸣涧

【电子基础知识】功率MOSFET零电压软开关ZVS讲解

高频高效是开关电源及电力电子系统发展的趋势，高频工作导致功率元件开关损耗增加，因此要使用软开关技术，保证在高频工作状态下，减小功率元件开关损耗，提高系统效率。

功率MOSFET开关损耗有两个产生因素：

一是，开关过程中，穿越线性区（放大区）时，电流和电压产生交叠，形成开关损耗。其中，米勒电容导致的米勒平台时间，在开关损耗中占主导作用。

图1 功率MOSFET开通过程

二是，功率MOSFET输出电容COSS储存能量在开通过程中放电，产生开关损耗，高压应用中，这部分损耗在开关损耗中占主导作用。

功率MOSFET零电压开关ZVS是其最常用的软开关方式，ZVS包括零电压的开通、零电压的关断，下面介绍这二个过程的实现方式。

1、功率MOSFET零电压的开通

功率MOSFET要想实现零电压的开通，也就是其在开通前，D、S的电压VDS必须为0，然后，栅极加上VGS驱动信号，这样就可以实现其零电压的开通。在实际的应用中，通常方法就是利用其内部寄生的反并联寄生二极管先导通续流，将VDS电压箝位到0，然后，栅极加VGS驱动信号，从而实现其零电压的开通。

图2 功率MOSFET体二极管导通

功率MOSFET开通前，COSS电压VDS为一定值，因此COSS电容储存了能量。为了将VDS放电到0，而且不损耗能量，就必须用一些外部元件，将COSS电容储存的这部分能量，抽取并转移到外部元件中。

能够储存能量的元件有电容和电感，因此最直接的方法就是：通过外加电感L和COSS串联或并联，形成谐振电路（环节），LC谐振，COSS放电、VDS谐振下降到0，其储存能量转换到电感中。此时，电感电流不能突变，要继续维持其电流的方向和大小不变，这样，功率MOSFET反并联寄生二极管导通续流。

图3 LC谐振

功率MOSFET反并联寄生二极管导通后，VDS电压约为0，在其后任何时刻开通功率MOSFET，都是零电压开通。因此，功率MOSFET零电压开通逻辑顺序是：

LC电路谐振-->COSS放电、VDS电压下降-->VDS电压下降到0、功率MOSFET体二极管导通箝位-->施加VGS驱动信号，MOSFET导通，电流从功率MOSFET体二极管转移到其沟道-->电流从负向（S到D）过0后转为正向（D到S）。

图4 零电压开通波形

2、功率MOSFET的零电压关断

从字面上来理解，功率MOSFET零电压关断，应该就是VDS电压为0时，去除栅极驱动信号，从而将其关断。事实上，功率MOSFET处于导通状态，VDS电压就几乎为0，因此，可以认定：功率MOSFET在关断瞬间，本身就是一个自然的零电压关断的过程。

然而，功率MOSFET关断过程中，VDS电压从0开始上升，ID电流从最大值开始下降，在这个过程中，形成VDS和ID电流的交叠区，产生关断损耗。为了减小VDS和ID交叠区的损耗，最直接办法就是增加VDS上升的时间，也就是在D、S并联外加电容，降低VDS上升的斜率，VDS和ID交叠区的面积减小，从而降低关断损耗，如图5所示。VDS2为外部D、S并联电容的波形，VDS2上升斜率小，和ID电流的交叠区的面积也变小。

图5 不同COSS电容的VDS波形

早期的全桥移相电路、LLC电路以及非对称半桥电路中，通常在上、下桥臂的功率MOSFET的D、S都会外部并联电容，就是这个原因。

功率MOSFET的D、S外部并联电容，可以降低其关断过程中VDS和ID交叠产生的关断损耗，但是，额外的外部电容，需要的更大变压器或电感电流，来抽取这些电容储存能量。这样，在变压器或电感绕组和谐振回路中，产生更大直流环流，回路导通电阻就会产生更大的直流导通损耗；此外，外部并联电容还会影响死区时间的大小，所以，要在二者之间做折衷和优化处理。

从上面分析可以得知：功率MOSFET的ZVS零电压软开关工作，重点在于要如何实现其零电压的开通，而不是零电压的关断。