對于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)如零電壓開(kāi)關(guān)(zero voltage switching，ZVS)拓撲的功率轉換器設計，輸出電容是所有寄生成分中至關(guān)重要的寄生參數。它決定了需要多少電感量來(lái)提供ZVS的工作條件。傳統上，許多設計人員使用粗略的假設來(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)際應用中卻沒(méi)有很大的幫助，因為它是根據漏-源電壓變化的，并且在開(kāi)關(guān)管導通/關(guān)斷轉變期間不能提供準確的儲能信息。在功率轉換器工作電壓下，根據輸出電容存儲能量新定義的等效輸出電容，能夠實(shí)現更優(yōu)化的功率轉換器設計。

ZVS轉換器中的輸出電容

在軟開(kāi)關(guān)拓撲中，通過(guò)使用電感中的儲能來(lái)達到零電壓導通，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，電感必須精確設計，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)用于移相全橋拓撲[2]，公式(2)用于LLC諧振半橋拓撲[3]。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di/dt，并且減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)輸出電容值是非常關(guān)鍵的。通 常，針對等效輸出電容的常見(jiàn)假設傾向于使用較大的數值。所以，根據公式(1)或(2)選擇電感后，設計人員必須調整其功率轉換器參數，并且要經(jīng)過(guò)數次反復 設計，因為每個(gè)參數都是相互關(guān)聯(lián)的，例如，匝數比、漏電感、以及有效占空比。而且，功率MOSFET的輸出電容是根據漏-源電壓變化的。在功率轉換器工作 電壓下，根據儲能來(lái)等效出的輸出電容值是這些應用的最佳替代選擇。

從輸出電容中獲得儲能

在電壓-電荷關(guān)系圖上，電容呈斜直線(xiàn)，電容中的儲能為該直線(xiàn)下包含的區域。雖然功率MOSFET的輸出電容卻是非線(xiàn)性的，并且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)下所包含的區域。因此，如果我們能夠找出一條直線(xiàn)，由該直線(xiàn)給出的區域與圖1中顯示的變化的輸出電容曲線(xiàn)所包含的 區域相同，則直線(xiàn)的斜率恰好是產(chǎn)生相同的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，其基于通常指定的25V漏源電壓下的數據表中的輸出電容值。
(3)

于是，儲能可由簡(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量值以及由公式(3)得出的擬合曲線(xiàn)。相對于圖2(a)的老式技術(shù)MOSFET，它的效果不錯。然而，對于使用新技術(shù)如超級結技 術(shù)，輸出電容有更多非線(xiàn)性特性的MOSFET，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的輸出電容測量值以及用公式(3) 得出的擬合曲線(xiàn)。對于等效輸出電容值，兩者之間在高電壓區的間隙會(huì )導致巨大的差異，因為在積分公式中電壓對于電容是相乘的。圖2(b)中的估計將產(chǎn)生大得 多的等效電容，這會(huì )誤導轉換器的初始設計。

圖2. 輸出電容估值，(a)老式MOSFET，(b)新MOSFET

如果輸出電容值依據漏源電壓而變化，輸出電容中的儲能可以使用公式(4)來(lái)求得。雖然電容曲線(xiàn)顯示在數據表中，但從圖表中精確地讀出電容值并不容易。因 此，依據漏源電壓，輸出電容中的儲能由最新功率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)，可以得到在期望的直流(DC)總線(xiàn) 電壓下的等效輸出電容。

圖3. 輸出電容中的儲能

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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)電源設計人員會(huì )有關(guān)于MOSFET電容溫度系數的疑問(wèn)，因為功率MOSFET通常工作在高溫下?？傊?，MOSFET電容值對于溫度可以 被認為是恒定的。MOSFET電容由耗竭長(cháng)度（depletion length）、摻雜濃度、溝道寬度和硅介電常數所決定，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)轉換速 度也不會(huì )因溫度而產(chǎn)生較大的變化，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來(lái)決定。當溫度上升時(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電容對比溫度的變化

另一個(gè)設計人員感興趣的地方是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的條件下測得。事實(shí)上存在著(zhù)柵極對漏極電容、柵極對源極電容，以及漏極對源極電容。實(shí)踐中，單獨測量每一種電容是不可能的。因此，柵極對漏極電容和漏極對源極電容總稱(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)，柵極和源極短接在一起，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內部溝道而短路。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，在低壓下輸出電容在低頻下增加少許。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處的電容是無(wú)法測得的。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，因為低電壓下輸出電容的微小改變不會(huì )對儲能產(chǎn)生如圖3顯 示那么大影響。

圖5. MOSFET電容對比頻率

結論

輸出電容是軟開(kāi)關(guān)轉換器設計的重要部分。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值，本文也提供了有關(guān)輸出電容測試條件和溫度系數的討論。