功率MOSFET零电压软开关ZVS的基础认识
作者：刘松 来源：松哥电源
高频高效是开关电源及电力电子系统发展的趋势，高频工作导致功率元件开关损耗增加，因此要使用软开关技术，保证在高频工作状态下，减小功率元件开关损耗，提高系统效率。
功率mosfet开关损耗有2个产生因素：
1）开关过程中，穿越线性区（放大区）时，电流和电压产生交叠，形成开关损耗。其中，米勒电容导致的米勒平台时间，在开关损耗中占主导作用。
图1 功率mosfet开通过程
2）功率mosfet输出电容coss储存能量在开通过程中放电，产生开关损耗，高压应用中，这部分损耗在开关损耗中占主导作用。
功率mosfet零电压开关zvs是其最常用的软开关方式，zvs包括零电压的开通、零电压的关断，下面介绍这二个过程的实现方式。
1、功率mosfet零电压的开通
功率mosfet要想实现零电压的开通，也就是其在开通前，d、s的电压vds必须为0，然后，栅极加上vgs驱动信号，这样就可以实现其零电压的开通。在实际的应用中，通常方法就是利用其内部寄生的反并联寄生二极管先导通续流，将vds电压箝位到0，然后，栅极加vgs驱动信号，从而实现其零电压的开通。
图2 功率mosfet体二极管导通
功率mosfet开通前，coss电压vds为一定值，因此coss电容储存了能量。为了将vds放电到0，而且不损耗能量，就必须用一些外部元件，将coss电容储存的这部分能量，抽取并转移到外部元件中。能够储存能量的元件有电容和电感，因此，最直接的方法就是：通过外加电感l和coss串联或并联，形成谐振电路（环节），lc谐振，coss放电、vds谐振下降到0，其储存能量转换到电感中。此时，电感电流不能突变，要继续维持其电流的方向和大小不变，这样，功率mosfet反并联寄生二极管导通续流。
图3 lc谐振
功率mosfet反并联寄生二极管导通后，vds电压约为0，在其后任何时刻开通功率mosfet，都是零电压开通。因此，功率mosfet零电压开通逻辑顺序是：
lc电路谐振-->coss放电、vds电压下降-->vds电压下降到0、功率mosfet体二极管导通箝位-->施加vgs驱动信号，mosfet导通，电流从功率mosfet体二极管转移到其沟道-->电流从负向（s到d）过0后转为正向（d到s）。
图4 零电压开通波形
2、功率mosfet的零电压关断
从字面上来理解，功率mosfet零电压关断，应该就是vds电压为0时，去除栅极驱动信号，从而将其关断。事实上，功率mosfet处于导通状态，vds电压就几乎为0，因此，可以认定：功率mosfet在关断瞬间，本身就是一个自然的零电压关断的过程。
然而，功率mosfet关断过程中，vds电压从0开始上升，id电流从最大值开始下降，在这个过程中，形成vds和id电流的交叠区，产生关断损耗。为了减小vds和id交叠区的损耗，最直接办法就是增加vds上升的时间，也就是在d、s并联外加电容，降低vds上升的斜率，vds和id交叠区的面积减小，从而降低关断损耗，如图5所示。vds2为外部d、s并联电容的波形，vds2上升斜率小，和id电流的交叠区的面积也变小。
图5 不同coss电容的vds波形
早期的全桥移相电路、llc电路以及非对称半桥电路中，通常在上、下桥臂的功率mosfet的d、s都会外部并联电容，就是这个原因。
功率mosfet的d、s外部并联电容，可以降低其关断过程中vds和id交叠产生的关断损耗，但是，额外的外部电容，需要的更大变压器或电感电流，来抽取这些电容储存能量。这样，在变压器或电感绕组和谐振回路中，产生更大直流环流，回路导通电阻就会产生更大的直流导通损耗；此外，外部并联电容还会影响死区时间的大小，所以，要在二者之间做折衷和优化处理。
从上面分析可以得知：功率mosfet的zvs零电压软开关工作，重点在于要如何实现其零电压的开通，而不是零电压的关断。
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2）功率mosfet输出电容coss储存能量在开通过程中放电，产生开关损耗，高压应用中，这部分损耗在开关损耗中占主导作用。
功率mosfet零电压开关zvs是其最常用的软开关方式，zvs包括零电压的开通、零电压的关断，下面介绍这二个过程的实现方式。
1、功率mosfet零电压的开通
功率mosfet要想实现零电压的开通，也就是其在开通前，d、s的电压vds必须为0，然后，栅极加上vgs驱动信号，这样就可以实现其零电压的开通。在实际的应用中，通常方法就是利用其内部寄生的反并联寄生二极管先导通续流，将vds电压箝位到0，然后，栅极加vgs驱动信号，从而实现其零电压的开通。
图2 功率mosfet体二极管导通
功率mosfet开通前，coss电压vds为一定值，因此coss电容储存了能量。为了将vds放电到0，而且不损耗能量，就必须用一些外部元件，将coss电容储存的这部分能量，抽取并转移到外部元件中。能够储存能量的元件有电容和电感，因此，最直接的方法就是：通过外加电感l和coss串联或并联，形成谐振电路（环节），lc谐振，coss放电、vds谐振下降到0，其储存能量转换到电感中。此时，电感电流不能突变，要继续维持其电流的方向和大小不变，这样，功率mosfet反并联寄生二极管导通续流。
图3 lc谐振
功率mosfet反并联寄生二极管导通后，vds电压约为0，在其后任何时刻开通功率mosfet，都是零电压开通。因此，功率mosfet零电压开通逻辑顺序是：
lc电路谐振-->coss放电、vds电压下降-->vds电压下降到0、功率mosfet体二极管导通箝位-->施加vgs驱动信号，mosfet导通，电流从功率mosfet体二极管转移到其沟道-->电流从负向（s到d）过0后转为正向（d到s）。
图4 零电压开通波形
2、功率mosfet的零电压关断
从字面上来理解，功率mosfet零电压关断，应该就是vds电压为0时，去除栅极驱动信号，从而将其关断。事实上，功率mosfet处于导通状态，vds电压就几乎为0，因此，可以认定：功率mosfet在关断瞬间，本身就是一个自然的零电压关断的过程。
然而，功率mosfet关断过程中，vds电压从0开始上升，id电流从最大值开始下降，在这个过程中，形成vds和id电流的交叠区，产生关断损耗。为了减小vds和id交叠区的损耗，最直接办法就是增加vds上升的时间，也就是在d、s并联外加电容，降低vds上升的斜率，vds和id交叠区的面积减小，从而降低关断损耗，如图5所示。vds2为外部d、s并联电容的波形，vds2上升斜率小，和id电流的交叠区的面积也变小。
图5 不同coss电容的vds波形
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