中心議題：

• ZVS轉換器的輸出電容
• 從輸出電容中獲得儲能
• 輸出電容的常見問題

功率轉換開關頻率一直在不斷提高，以便最大限度地提升功率密度，軟開關技術如零電壓開關（ZVS）正逐漸普及以進一步提高開關頻率。隨著開關頻率的增大，功率MOSFET的寄生特性不再可以忽略不計。對於采用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提供ZVS的工作條件。

過去
，許多設計人員都使用粗略假設來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，傳統的等效輸出電容值在實際應用中卻沒有多大幫助，因為它隨漏源電壓變化
，並且在開關導通/關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)的(de)儲(chu)能(neng)信(xin)息(xi)。在(zai)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)下(xia)
，新(xin)定(ding)義(yi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)等(deng)效(xiao)的(de)儲(chu)能(neng)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)更(geng)優(you)化(hua)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)。

ZVS轉換器的輸出電容

在軟開關拓撲中，通過諧振作用
，利用電感（漏電感和串聯電感或變壓器中的磁化電感）中(zhong)的(de)儲(chu)能(neng)使(shi)開(kai)關(guan)管(guan)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)放(fang)電(dian)來(lai)實(shi)現(xian)零(ling)電(dian)壓(ya)導(dao)通(tong)。因(yin)此(ci)
，電(dian)感(gan)必(bi)須(xu)精(jing)確(que)設(she)計(ji)，以(yi)防(fang)止(zhi)硬(ying)開(kai)關(guan)引(yin)起(qi)的(de)附(fu)加(jia)功(gong)耗(hao)。下(xia)麵(mian)的(de)公(gong)式(shi)是(shi)零(ling)電(dian)壓(ya)開(kai)關(guan)的(de)基(ji)本(ben)要(yao)求(qiu)。

其中，Ceq是開關等效輸出電容，CTR是變壓器寄生電容。

其中，CS是開關等效輸出電容。

公式（1）用於移相全橋拓撲

，公式（2）用於LLC諧振半橋拓撲。在兩個公式中輸出電容都起著重要作用。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。然後
，此大電感將降低初級di/dt，並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關。另外，公式（2）中(zhong)太(tai)大(da)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)將(jiang)限(xian)製(zhi)磁(ci)化(hua)電(dian)感(gan)並(bing)引(yin)起(qi)循(xun)環(huan)電(dian)流(liu)的(de)增(zeng)加(jia)。因(yin)此(ci)
，對(dui)於(yu)優(you)化(hua)軟(ruan)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)，獲(huo)取(qu)準(zhun)確(que)的(de)開(kai)關(guan)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)值(zhi)將(jiang)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)。通(tong)常(chang)，針(zhen)對(dui)等(deng)效(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)的(de)傳(chuan)統(tong)假(jia)設(she)傾(qing)向(xiang)於(yu)使(shi)用(yong)較(jiao)大(da)數(shu)值(zhi)。所(suo)以(yi)，根(gen)據(ju)公(gong)式(shi)（1）或（2）選擇電感後，設計人員還需調整功率轉換器參數，並經過多次反複設計，因為每個參數都相互關聯，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

在電壓與電荷關係圖（圖1）上，電容為直線的斜率，電容中的儲能為該直線下包含的麵積。雖然功率MOSFET的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)呈(cheng)非(fei)線(xian)性(xing)，並(bing)依(yi)據(ju)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，但(dan)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)中(zhong)的(de)儲(chu)能(neng)仍(reng)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)電(dian)容(rong)線(xian)下(xia)的(de)麵(mian)積(ji)。因(yin)此(ci)，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)找(zhao)出(chu)一(yi)條(tiao)直(zhi)線(xian)，由(you)該(gai)直(zhi)線(xian)給(gei)出(chu)的(de)麵(mian)積(ji)與(yu)圖(tu)1所示變化的輸出電容曲線所包含的麵積相同，則直線的斜率恰好是產生相同儲能的等效輸出電容。

圖1：等效輸出電容的概念

對於某些老式平麵技術MOSFET，設計人員可能會用曲線擬合來找出等效輸出電容。

於是，儲能可由簡單積分公式獲得。

最後，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。然而
，對於具有更多非線性特性的新式超級結MOSFET而言
，則簡單的指數曲線擬合有時不夠好。圖2（b）顯示了最新技術MOSFET的輸出電容測量值及用公式（3）得出的擬合曲線。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(qiu)出(chu)。雖(sui)然(ran)電(dian)容(rong)曲(qu)線(xian)顯(xian)示(shi)在(zai)數(shu)據(ju)表(biao)中(zhong)
，但(dan)要(yao)想(xiang)從(cong)圖(tu)表(biao)中(zhong)精(jing)確(que)讀(du)出(chu)電(dian)容(rong)值(zhi)並(bing)不(bu)容(rong)易(yi)。因(yin)此(ci)，依(yi)據(ju)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)儲(chu)能(neng)將(jiang)由(you)最(zui)新(xin)功(gong)率(lv)MOSFET數據表中的圖表給出。通過圖3顯示的曲線，使用公式（5）可以得到期望的直流總線電壓下的等效輸出電容。

圖3：輸出電容中的儲能

輸出電容的常見問題

在許多情況下，開關電源設計人員會對MOSFET電容溫度係數提出疑問
，因為功率MOSFET通常工作在高溫下。總的來說，可以認為MOSFET電容對於溫度而言始終恒定。MOSFET電容由耗盡長度、摻雜濃度
、溝道寬度和矽介電常數所決定，但所有這些因素都不會隨溫度而產生較大變化。而且MOSFET開關特性如開關損耗或開/關轉換速度也不會隨溫度而產生較大變化，因為MOSFET是多數載流子器件，因而開關特性主要是由其電容決定。當溫度上升時
，等效串聯柵極電阻會有略微增加。這會使MOSFET在高溫下的開關速度稍許降低。圖4顯示了根據溫度變化的電容。溫度變化超過150度時，電容值的變化也不超過1%。

圖4：MOSFET電容與溫度的關係

設計人員感興趣的另一個地方是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。事實上存在著柵漏間電容、柵zha源yuan間jian電dian容rong及ji漏lou源yuan間jian電dian容rong。但dan實shi際ji上shang卻que不bu可ke能neng單dan獨du測ce量liang每mei一yi電dian容rong。因yin此ci，柵zha漏lou間jian電dian容rong和he漏lou源yuan間jian電dian容rong之zhi和he總zong稱cheng為wei輸shu出chu電dian容rong，通tong過guo並bing聯lian兩liang個ge電dian容rong來lai測ce量liang。為wei使shi它ta們men並bing聯lian，將jiang柵zha極ji與yu源yuan極ji短duan接jie在zai一yi起qi，即jiVgs=0V。在開關應用中，當MOSFET在柵極加偏置電壓而導通時
，輸出電容通過MOSFET溝道而短路。僅當MOSFET關斷時，輸出電容值才值得考慮。關於頻率
，如圖5所示，低壓下的輸出電容在低頻時稍有增加。低頻時，因為測試設備的限製，有時無法測量低漏源電壓下的電容。圖5中，當漏源電壓小於4V時，100kHz時shi的de電dian容rong將jiang無wu法fa測ce出chu。雖sui然ran輸shu出chu電dian容rong存cun在zai微wei小xiao變bian化hua，但dan是shi等deng效xiao輸shu出chu電dian容rong卻que幾ji乎hu恒heng定ding

，因yin為wei低di壓ya下xia的de輸shu出chu電dian容rong微wei小xiao變bian化hua不bu會hui對dui儲chu能neng產chan生sheng如ru圖tu3所示那樣大的影響。

圖5：MOSFET電容與頻率的關係

本文小結

shuchudianrongshiruankaiguanzhuanhuanqishejidezhongyaobufen。shejirenyuanbixushenzhongkaolvdengxiaodianrongzhi，erbushijiangqigudingweilouyuandianyaxiadedanyishuzhi。chucizhiwai，benwenhaitigongleyouguanshuchudianrongceshitiaojianhewenduxishudetaolun。