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软开关转换器的输出电容讨论研究

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来源: 作者: 2018-10-26 13:16:29

软开关转换器的输出电容讨论研究

导读:

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。

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。  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。    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。

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