中心議題：
- ZVS轉換器的輸出電容
- 從輸出電容中獲得儲能
- 輸出電容的常見(jiàn)問(wèn)題
功率轉換開(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)（ZVS）正逐漸普及以進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增大，功率MOSFET的寄生特性不再可以忽略不計。對于采用ZVS拓撲的功率轉換器設計，在所有寄生元素中最為重要的寄生參數就是輸出電容，它決定了需要多少電感來(lái)提供ZVS的工作條件。
過(guò)去，許多設計人員都使用粗略假設來(lái)提供等效輸出電容值，因為輸出電容通常都指定為25V漏源電壓。不過(guò)，傳統的等效輸出電容值在實(shí)際應用中卻沒(méi)有多大幫助，因為它隨漏源電壓變化，并且在開(kāi)關(guān)導通/關(guān)斷期間不能提供準確的儲能信息。在功率轉換器工作電壓下，新定義的輸出電容提供等效的儲能，能夠實(shí)現更優(yōu)化的功率轉換器設計。
ZVS轉換器的輸出電容
在軟開(kāi)關(guān)拓撲中，通過(guò)諧振作用，利用電感（漏電感和串聯(lián)電感或變壓器中的磁化電感）中的儲能使開(kāi)關(guān)管輸出電容放電來(lái)實(shí)現零電壓導通。因此，電感必須精確設計，以防止硬開(kāi)關(guān)引起的附加功耗。下面的公式是零電壓開(kāi)關(guān)的基本要求。
其中，Ceq是開(kāi)關(guān)等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容。
其中，CS是開(kāi)關(guān)等效輸出電容。
公式（1）用于移相全橋拓撲，公式（2）用于LLC諧振半橋拓撲。在兩個(gè)公式中輸出電容都起著(zhù)重要作用。如果在公式（1）中假設輸出電容很大，則由公式將得出較大的電感。然后，此大電感將降低初級di/dt，并降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(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，對于優(yōu)化軟開(kāi)關(guān)轉換器設計，獲取準確的開(kāi)關(guān)輸出電容值將非常關(guān)鍵。通常，針對等效輸出電容的傳統假設傾向于使用較大數值。所以，根據公式（1）或（2）選擇電感后，設計人員還需調整功率轉換器參數，并經(jīng)過(guò)多次反復設計，因為每個(gè)參數都相互關(guān)聯(lián)，例如，匝數比、漏電感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的輸出電容將跟隨漏源電壓變化。在功率轉換器工作電壓下，提供等效儲能的輸出電容是這些應用的最佳選擇。
從輸出電容中獲得儲能
在電壓與電荷關(guān)系圖（圖1）上，電容為直線(xiàn)的斜率，電容中的儲能為該直線(xiàn)下包含的面積。雖然功率MOSFET的輸出電容呈非線(xiàn)性，并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(xiàn)性電容線(xiàn)下的面積。因此，如果我們能夠找出一條直線(xiàn)，由該直線(xiàn)給出的面積與圖1所示變化的輸出電容曲線(xiàn)所包含的面積相同，則直線(xiàn)的斜率恰好是產(chǎn)生相同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(shù)MOSFET，設計人員可能會(huì )用曲線(xiàn)擬合來(lái)找出等效輸出電容。
于是，儲能可由簡(jiǎn)單積分公式獲得。
最后，有效輸出電容為：
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圖2（a）顯示了輸出電容的測量值及由公式（3）得出的擬合曲線(xiàn)。然而，對于具有更多非線(xiàn)性特性的新式超級結MOSFET而言，則簡(jiǎn)單的指數曲線(xiàn)擬合有時(shí)不夠好。圖2（b）顯示了最新技術(shù)MOSFET的輸出電容測量值及用公式（3）得出的擬合曲線(xiàn)。兩者在高壓區的差距將導致等效輸出電容的巨大差異，因為在積分公式中電壓與電容是相乘的。圖2（b）中的估計將得出大得多的等效電容，這會(huì )誤導轉換器的初始設計。
圖2：輸出電容估算：（a）老式MOSFET，（b）新式MOSFET
如果依據漏源電壓變化的輸出電容值可得，則輸出電容儲能可用公式（4）求出。雖然電容曲線(xiàn)顯示在數據表中，但要想從圖表中精確讀出電容值并不容易。因此，依據漏源電壓變化的輸出電容儲能將由最新功率MOSFET數據表中的圖表給出。通過(guò)圖3顯示的曲線(xiàn)，使用公式（5）可以得到期望的直流總線(xiàn)電壓下的等效輸出電容。
圖3：輸出電容中的儲能
輸出電容的常見(jiàn)問(wèn)題
在許多情況下，開(kāi)關(guān)電源設計人員會(huì )對MOSFET電容溫度系數提出疑問(wèn)，因為功率MOSFET通常工作在高溫下?？偟膩?lái)說(shuō)，可以認為MOSFET電容對于溫度而言始終恒定。MOSFET電容由耗盡長(cháng)度、摻雜濃度、溝道寬度和硅介電常數所決定，但所有這些因素都不會(huì )隨溫度而產(chǎn)生較大變化。而且MOSFET開(kāi)關(guān)特性如開(kāi)關(guān)損耗或開(kāi)/關(guān)轉換速度也不會(huì )隨溫度而產(chǎn)生較大變化，因為MOSFET是多數載流子器件，因而開(kāi)關(guān)特性主要是由其電容決定。當溫度上升時(shí)，等效串聯(lián)柵極電阻會(huì )有略微增加。這會(huì )使MOSFET在高溫下的開(kāi)關(guān)速度稍許降低。圖4顯示了根據溫度變化的電容。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電容與溫度的關(guān)系
設計人員感興趣的另一個(gè)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的條件下測量。事實(shí)上存在著(zhù)柵漏間電容、柵源間電容及漏源間電容。但實(shí)際上卻不可能單獨測量每一電容。因此，柵漏間電容和漏源間電容之和總稱(chēng)為輸出電容，通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)電容來(lái)測量。為使它們并聯(lián)，將柵極與源極短接在一起，即Vgs=0V。在開(kāi)關(guān)應用中，當MOSFET在柵極加偏置電壓而導通時(shí)，輸出電容通過(guò)MOSFET溝道而短路。僅當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，低壓下的輸出電容在低頻時(shí)稍有增加。低頻時(shí)，因為測試設備的限制，有時(shí)無(wú)法測量低漏源電壓下的電容。圖5中，當漏源電壓小于4V時(shí)，100kHz時(shí)的電容將無(wú)法測出。雖然輸出電容存在微小變化，但是等效輸出電容卻幾乎恒定，因為低壓下的輸出電容微小變化不會(huì )對儲能產(chǎn)生如圖3所示那樣大的影響。
圖5：MOSFET電容與頻率的關(guān)系
本文小結
輸出電容是軟開(kāi)關(guān)轉換器設計的重要部分。設計人員必須慎重考慮等效電容值，而不是將其固定為漏源電壓下的單一數值。除此之外，本文還提供了有關(guān)輸出電容測試條件和溫度系數的討論。
