功率MOSFET零电压软开关ZVS的基础知识

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C OSS 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V DS 必须为0，然后，栅极加上V GS 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V DS 电压箝位到0，然后，栅极加V GS 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，C OSS 电压V DS 为一定值，因此C OSS 电容储存了能量。为了将V DS 放电到0，而且不损耗能量，就必须用一些外部元件，将C OSS 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C OSS 串联或并联，形成谐振电路（环节），LC谐振，C OSS 放电、V DS 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，V DS 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-->C OSS 放电、V DS 电压下降-->V DS 电压下降到0、功率MOSFET体二极管导通箝位-->施加V GS 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V DS 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，V DS 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，V DS 电压从0开始上升，I D 电流从最大值开始下降，在这个过程中，形成V DS 和I D 电流的交叠区，产生关断损耗。为了减小V DS 和I D 交叠区的损耗，最直接办法就是增加V DS 上升的时间，也就是在D、S并联外加电容，降低V DS 上升的斜率，V DS 和I D 交叠区的面积减小，从而降低关断损耗，如图5所示。V DS2 为外部D、S并联电容的波形，V DS2 上升斜率小，和I D 电流的交叠区的面积也变小。

图5 不同C OSS 电容的V DS 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V DS 和I D 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 。