ZVS零电压切换及其稳压重要性

为了提升效率，功率密度 (W/m3) 和 DC 电源电压水平不断提升，同时硅器件的电压需要不断降低，这使得降压型 DC-DC 稳压器电路的设计变得愈加困难。 电源电压和硅器件所需电压之间的差异会在稳压器上产生一个大压降，从而增大切换损耗并最终限制该器件的切换频率。

例如，过程控制系统可能需要在 3.3 - 24 V 之间进行稳压——之间的差距通常必须利用两个稳压级来弥补，因此增加了板空间、成本和可靠性问题。 而且有限的切换频率是一个不利因素，会迫使工程师们在滤波电路中采用更大的磁体和其它无源元件，从而增大了解决方案尺寸并影响到功率密度。

零电压切换 (ZVS) 是一种能在更高电压和电压降条件下恢复至较快切换频率的解决方案。 与当代几乎所有开关式稳压器一样，这种技术采用基于脉宽调制 (PWM) 工作模式，但 PWM 定时会有一个附加独立相位来使 ZVS 工作。 ZVS 会使稳压器参与“软切换”，以避免通常在传统 PWM 工作和定时期间产生的切换损耗。

本文将介绍 ZVS 并详细解释其优势。

硬切换损耗

当代的大多数非隔离式降压转换器会产生大量切换损耗，这是因为在导通和关断状态转换期间，在稳压器的集成式金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET) 开关上同时出现了高电流和高电压压力。 这些损耗会随着开关频率的提高而增大，并制约最高频率工作、效率和功率密度。

当 MOSFET 关断和导通时，在电流和电压重叠期间发生硬切换。 稳压器制造商尝试通过提高切换波形中的电流变化率 (di/dt ) 和电压变化率 (dv/dt) 来最大限度减少这种重叠，进而最大限度减小切换损耗。 图 1 和图 2 展示了切换损耗发生位置，以及为了最大限度降低这种损耗而设计的快速变化电压的实际切换波形。


图 1：MOSFET 切换时在电流/电压重叠期间发生的稳压器损耗（感谢 Infineon Technologies 提供数据）。


图 2：Infineon Technologies 通过增大 dv/dt 来最大限度地减少重叠、提升效率（感谢 Infineon Technologies 提供数据）。

快速切换不利的一面是稳压器电路会产生更多电磁干扰 (EMI)。

在继续发挥快速切换优势来提升效率的同时，最大限度减小 EMI 影响的一个方法是，选择一个采用被称作准谐振或“波谷”切换的改进型硬切换技术的开关式稳压器。Infineon Technologies 针对准谐振反激式开关稳压器推出一系列功率 MOSFET，如 CoolMOS系列。

在准谐振切换期间，MOSFET 在漏源极电压最低（位于波谷）时导通，以使切换损耗降至最低。 这样，设备就能在更适中的电流或电压变化率下工作，从而减小 EMI。 准谐振切换的另一有利之处是，由于在探测到电压波谷时触发切换动作，而不是在某一固定频率下，因此会引起一定程度的频率抖动，进而扩大了 RF 发射频谱并进一步减少了 EMI。

准谐振切换确实有其不足之处——轻负载时会导致损耗更高，但在现代设备中，已利用频率箝位电路限制最高工作频率的方法消除了该问题。 图 3 所示为 MOSFET 在电压波谷切换时的反激式转换器准谐振切换波形。


图 3：反激式转换器的准谐振切换波形（感谢 Infineon Technologies 提供数据）。

零电压软切换

准谐振切换是用于提升电压转换效率的一项不错的技术，但采用全软切换后效果会更佳。 软切换期间，电压在 MOSFET 导通或关断前降至零（非最小值），从而彻底消除了电压和电流重叠的情形，将损耗降至最低。 （这一方法也可用来在电流而非电压到达零时切换 MOSFET。 这就是人们熟知的零电流切换 (ZCS) 技术。） 另一个优势便是平滑的切换波形能将 EMI 降至最少（图 4）。


图 4：软切换 MOSFET 的电流和电压波形（感谢 Infineon Technologies 提供数据）

软切换 (ZVS) 可定义为 MOSFET 导通期间的传统 PWM 电源转换，但采用“谐振”切换式转换。 这项技术可视为采用恒定关断时间控制的 PWM 电源，它能改变转换频率或者导通时间，以保持输出稳压。 在已知单位时间内，该方法类似于使用可调占空比的固定频率转换法。

通过改变转换频率和调节有效占空比（并因此调节了导通时间）来最终实现输出稳压。 在 ZVS 关断期间，稳压器的 L-C 电路发生谐振，使该开关上的电压从零跨越至峰值，然后在该开关被再次激活时回零，实现无损耗 ZVS。 MOSFET 的转换损耗为零——丝毫不受工作频率和输入电压的影响，也就是说能显著地节省功耗，极大地提升效率（图 5）。 这一特性使 ZVS 非常适用于高频、高电压转换器设计。¹


图 5：传统 PWM 采用固定频率，但会通过改变占空比来实现稳压，与之相反，ZVS 是通过改变转换频率（然后由此改变导通时间）来保持输出电压的（感谢 Texas Instruments 提供数据）

ZVS 还有两个优势：减小任何 EMI 的谐波频谱（使其集中于切换频率）和允许更高频率工作，这会使噪声更少、更易过滤并允许使用更小的滤波元件。

缺憾之处是无法保证 MOSFET 在被关断前以消散其全部能量，且高频时尤其如此。 长远看来，这种“存储”的能量会导致元件失效，在快速切换型稳压器中情况尤为严重。 电源模块制造商已克服了这个问题，他们另外用一个快速体二极管与开关并联，以确保所有能量从该晶体管耗尽（图 6）。²


图 6：ZVS 拓扑结构中通常有一个快速体二极管与 MOSFET 并联，以确保所有能量从该晶体管耗散（感谢 Infineon Technologies 提供数据）。

起作用的零电压切换

图 7 所示为 ZVS 降压拓扑结构的原理图。 除了在输出电感器上多连接了一个箝位开关外，该电路与传统降压稳压器相同。 增加这一开关后，输出电感器中存储的能量可用于实现 ZVS。


图 7：Vicor 的 ZVS 降压拓扑结构（感谢 Vicor 提供数据）

这种 ZVS 降压转换器有三个主要工作状态。 这些状态分别定义为 Q1 导通阶段、Q2 导通阶段和箝位阶段。 在电流为零以及当漏源电压接近零时 Q1 导通。 MOSFET 和输出电感器中的电流增大，直至由 Q1 的导通时间、电感器上的电压和电感值确定的峰值电流。 Q1 导通阶段，能量存储在输出电感器中并为输出电容器充电。 Q1 导通阶段，Q1 中的功率耗散取决于 MOSFET 的导通电阻且切换损耗可忽略不计。

然后，经过体二极管极短暂导通后，Q1 迅速关断（此时增加的功率耗散可忽略不计）。 在体二极管电流换向期间，Q1 确实会出现与电感器峰值电流成正比的关断损耗。 接下来，Q2 导通，输出电感器中存储的能量流向负载和输出电容器。 电感器电流达到零时，同步 MOSFET Q2 保持长时间导通状态，足以使输出电感器能存储一些来自输出电容器的能量。

一旦控制器确定电感器存储了足够的能量后，同步 MOSFET 关断，箝位开关导通，将 VS 节点电压箝至 VOUT。 箝位开关将输出电感器与输出隔离，同时使存储的能量以电流形式进行几乎是无损耗的循环。 在时间非常短的电压箝位阶段，由输出电容器提供输出。

箝位开关在箝位阶段结束时断开。 输出电感器中存储的能量与 Q1 和 Q2 输出电容的并联组合产生谐振，致使 VS 节点向 V_IN 方向形成振荡。 这种振荡会使 Q1 的输出电容放电，减少 Q1 的栅极到漏极 (Miller) 电荷并向 Q2 的输出电容充电。 这样，Q1 能在 VS 节点几乎等于 V_IN 时实现无损耗导通。³

采用 ZVS 技术的电源模块

Vicor 已倒向 ZVS 拓扑结构，就是一个很好的例证。 该公司发表了一篇白皮书，解释了 ZVS 在非隔离式负载点 (POL) 降压稳压器应用中的工作原理。

该公司的 Cool-Power ZVS 降压稳压器构成了一个高密度隔离式 DC-DC ZVS 转换器模块系列，并将控制器、电源开关、平面磁性器件和辅助元件集成在一个高密度表面贴装封装内。

这些电源模块有 48 V、28 V 和 24 V 三个输入电压工作范围，分别适用于换向应用、坚固型高温应用和工业应用。 这些模块均具备各种可编程特性（含输出电压微调）和可编程软件能力（图 8）。


图 8：Vicor 的 Cool-Power ZVS 降压稳压器构成了一个高密度隔离式 DC-DC ZVS 转换器模块系列。

该公司称，与竞争器件相比 ZVS 的效率提升高达 12%（图 9）。


图 9：Vicor Picor PI13312 ZVS 拓扑结构与竞争器件的效率曲线对比。

其他制造商提供可在全桥转换器 ZVS 控制方案中使用的模块化控制器。 例如，Linear Technology 针对这类用途提供 LTC3722 器件。 这种移相 PWM 控制器具有实现高频 ZVS 全桥电源转换器所需的全部控制和保护功能。 自适应 ZVS 电路能独立地使每个 MOSFET 的导通信号延迟，而不受内外元件容差的影响。 这种芯片可用作效率高达 93% 的稳压器基本器件。

在这类芯片方面，Texas Instruments (TI) 提供一款用于 ZVS 稳压的 DC-DC 切换控制器芯片 UCC28950。 该控制器能监视全桥转换器，并主动控制同步整流器的输出级。 初级侧信号允许对延时进行编程，以确保 ZVS 能在宽负载电流和输入电压范围内工作，同时，由负载电流调节二次侧同步整流器的切换延时，实现系统效率的最大限度提升。

提升能量密度

高密度稳压器正努力适应现代电子系统的要求，主要原因是切换损耗已严重影响到稳压器 MOSFET 的性能。 ZVS 克服了这类损耗问题，可运用于大多数电源转换设计中，但最有利于那些采用高压输入的应用。 相比同类 PWM 控制型应用，高压全桥和半桥 ZVS 应用能显著提升效率。

而且，ZVS 技术允许使用电压等级较低的开关，因为这样不会发生瞬态过压，且施加在初级侧开关上的反相电压会受限，最高为输入电压峰值。 这样，工程师们就能自由地使用具有优异特性的元件，如较低导通损耗、较小驱动电流和较高能量密度。

如需详细了解本文讨论的零件，请使用文中提供的链接访问 DigiKey 网站上的产品页。

参考文献：

1. “Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion,” Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
2. “CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies,” Infineon Technologies, November 2011.
3. “High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications,” C. R. Swartz, Vicor, August 2012.