Переключение при нулевом напряжении или что такое ZVS?

Переключение при нулевом напряжении (ZVS — Zero Voltage Switching) считается панацеей от проблем, связанных с высокой частотой и достижением более высоких требований к эффективности. При всех положительных моментах функционала ZVS, однако, следует помнить о некоторых ограничениях, включая целый ряд своего рода «ловушек» при реализации этой схемы.

Что такое ZVS для инженерно-конструкторской идеи?

Основная идея с упором на переключение при нулевом напряжении проста. Перед включением полупроводник MOSFET (переход сток-исток) находится под высоким напряжением (V_DS). Это напряжение также является напряжением, до которого заряжается ёмкость Coss (сток-исток выход). Чтобы достичь эффекта ZVS – переключение при нулевом напряжении, ёмкость Coss необходимо освободить от энергии до подачи стробирующего сигнала.

Здесь даже частичный разряд полезен, но в идеале всю энергию, накопленную ёмкостью Coss, необходимо отвести в нагрузку. Такое действие приводит к нулевому значению параметра V_DS. На картинке ниже показаны индуктивные перекрёстные потери тока и напряжения при условиях жёсткого переключения (А).

Там же показаны аналогичные формы сигналов при переключении с эффектом ZVS (B). Потери при переключении исключены, поскольку нет пересечения между напряжением (V_DS) и кратковременным импульсным током (I_DS). Помимо потерь, эффект на переключение при нулевом напряжении также минимизирует шумы и связанные с переключением электромагнитные помехи.

Существует масса рекомендаций на тот счёт, как реализовать ZVS, но крайне мало перспектив с точки зрения устройства, которое фактически выполняет переключение. Поэтому рассмотрим критерии ZVS — переключение при нулевом напряжении, на примере MOSFET транзистора.

Коммутация ZVS – различия методов организации переключения

Существуют и применяются несколько методов достижения принципа переключения ZVS:

1. Резонансный.
2. Мягкий.
3. Синхронный.

Несмотря на то, что резонансное и мягкое переключение при нулевом напряжении рассматриваются как взаимозаменяемые эффекты, между этими эффектами имеются определённые различия.

Резонансное переключение ZVS характерно возникновением резонанса между паразитными элементами цепи:

• рассеивающими индукторами,
• ёмкостью включенного полевого транзистора.

Или же возможен резонанс между основными компонентами самой силовой передачи, как в преобразователях.

В первом случае рабочая частота постоянна. Силовая передача может быть такой же, как при жестком переключении, или может иметь дополнительные элементы малой мощности с целью облегчить переключение при нулевом напряжении. Последовательность переключения регулируется схемой управления для достижения принципа ZVS.

Второй случай, когда достигается резонанс между непаразитными элементами схемы, требует работы с переменной частотой. Частота коммутации должна быть выше естественного резонанса цепи индуктивной нагрузки. Этим гарантируется отрицательный ток при переходе через ноль основной составляющей приложенного напряжения.

Резонансный вариант — распространенный метод достижения коммутации ZVS, но не единственный.

Мягкий метод – это общий термин на переключение ZVS, как при нулевом напряжении, так и при нулевом токе. Последний вариант обычно работает на выключение. Мягкое переключение при нулевом напряжении (ZVS) также может указывать на включение полевого МОП-транзистора с низким напряжением на стоке / истоке и не обязательно нулевым.

Иногда метод называют квазирезонансным переключением. Двумя примерами являются квазирезонансный обратный ход и коррекция коэффициента мощности (PFC), когда полевой МОП-транзистор включается в момент паразитного резонанса. Таковой следует за нулевым током индуктора. Квазирезонанс обычно включает режим критической проводимости и работу с переменной частотой.

Синхронное переключение при нулевом напряжении характерно для класса преобразователей, где полевой МОП-транзистор заменяет выпрямитель. Эти схемы, заменённые полевыми МОП-транзисторами для уменьшения прямого падения напряжения, изначально задуманы для работы с выпрямителями. Примерами являются выпрямляющие устройства:

• синхронные понижающие,
• синхронные повышающие,
• вторичные синхронные.

Обычно этот метод не рассматривается как пример на переключение при нулевом напряжении, тем не менее, ZVS синхронного переключателя является неотъемлемой особенностью рассматриваемых топологий. Эти ZVS работают на фиксированной частоте, не нуждаются в резонансе, а полевые МОП-транзисторы проводят полностью в третьем квадранте.

ZVS – критерии на исключение любых коммутационных потерь

Независимо от практикуемого подхода, разработчикам приходится помнить о фундаментальном ограничении переключения при нулевом напряжении. Эффект ZVS снижает потери переключения только при включении. Переходные потери при выключении остаются.

Таким образом, отключение при нулевом напряжении невозможно, в принципе. Идеальный вариант — включение при нулевом напряжении, тогда как выключение при нулевом токе. Именно таким способом исключаются все коммутационные потери ZVS. Но для достижения нулевого тока в цепи при выключении уровень сложности схемы нивелирует все преимущества.

 

Потери при включении происходит также от энергии, накопленной ёмкостью Coss. Современные транзисторные структуры MOSFET довольно сложные, что приводит к нелинейности кривой ёмкости. По сути, не имеет смысла называть ёмкостные составляющие C_RSS или Coss отдельными значениями ёмкости.

Важны эффективные заряды и накопленная энергия ёмкостей, представленные как Q_GD, Qoss и Eoss. Если полевой МОП-транзистор жёстко переключается на частоте Fsw, накопленная энергия Eoss выходной ёмкости разряжается в канал, вызывая потерю мощности Eoss * Fsw.

Переключение при нулевом напряжении передаёт энергию Eoss либо на нагрузку, либо на вход без потерь. Однако ZVS не исключает всех потерь, связанных с энергией Eoss.

Согласно простой теории схем, если постоянный конденсатор заряжается и разряжается до определенного напряжения V, общие потери энергии составляют 1/2 CV2 (в момент зарядки) + 1/2 CV2 (в момент разрядки). Эти потери полностью зависят от накопленной энергии и не зависят от метода заряда или разряда конденсатора.

Использованием ZVS только половина разряда энергии передаётся в нагрузку и восстанавливается. Но половина потерь заряда, когда полевой МОП-транзистор выключен, по-прежнему несёт схема. На картинке ниже показаны формы сигналов напряжения для квазирезонансного обратного хода. Потери ёмкости Coss снижаются при включении, но куда большие потери энергии Eoss в цепи неизбежны, когда ёмкость Coss заряжается до напряжения выключения.

Очевидно, что составляющая потерь намного более значительна при более высоких напряжениях. Конденсатор постоянной ёмкости имеет 2000-кратное увеличение заряда Eoss на пике 500 вольт цепи обратного хода по сравнению с 12 вольтами синхронного понижающего преобразователя. Это одна из причин, затрудняющая преобразование переменного тока в постоянный ток на более высоких частотах.

Комбинации зарядов для схемы транзистора MOSFET

На картинке ниже показана схема, эквивалентная полевому транзистору МОП-структуры, содержащая ёмкостные составляющие и внутренний диод. Выходная ёмкость Coss по определению является суммой ёмкостей C_DG и C_DS. Выходная ёмкость и заряд Qoss этой ёмкости неотделимы от внутреннего диода и заряда Q_RR этого компонента.

Любая схема обратного восстановления полупроводникового диода в реале измеряет комбинированные заряды в сумме Q_RR + Qoss, как показано на графике изображённом ниже. При анализе поведения внутреннего диода транзистора MOSFET важно учитывать не только собственный заряд Q_RR диода, но также неотделимый заряд Qoss.

Таблица (ниже) демонстрирует характеристики различных типов полевых МОП-транзисторов и дискретных диодов сопоставимых номиналов. Как правило, по сравнению с дискретными диодами внутренние диоды MOSFET имеют гораздо более высокий заряд Q_RR и большую параллельную ёмкость.

Наличие большого заряда Qoss, включенного параллельно, делает внутренний диод похожим на выпрямитель с «мягким восстановлением». Особенно это заметно на низковольтных полевых МОП-транзисторах. Между тем, при различных номинальных напряжениях основная структура полупроводника также резко меняется.

В результате относительные величины двух зарядов сильно различаются, в зависимости от номинального напряжения устройства. Свойства полевого МОП-транзистора под напряжение 600 вольт нельзя просто экстраполировать, сравнивая с тем же свойствами транзистора под напряжение 30 В.

Характеристики некоторых полевых транзисторов MOSFET

Таблица: Характеристики полевых транзисторов MOSFET

Для полевых транзисторов МОП структуры, работающих в схемах ZVS, существуют более серьёзные соображения, связанные с восстановлением внутреннего диода таких устройств. Принято считать, что в любой схеме, которая достигает полного эффекта ZVS, внутренний диод обязательно должен перейти в режим проводимости.

Любой ток, разряжающий выходной конденсатор, неизменно смещает внутренний диод в прямом направлении и продолжает течь через него. Соответственно, существует снижение эффективности по причине увеличения прямого падения.

Однако такое снижение допустимо минимизировать, оптимизацией системного времени задержки. Реальная проблема заключается в том, что внутренний диод также должен восстанавливаться, когда транзистор MOSFET закрывается.

Особенности коммутации тока внутренними диодами

В зависимости от типа ZVS, внутренние диоды могут коммутировать по-разному. В синхронных схемах ток MOSFET транзистора всегда находится в 3-м квадранте от истока до стока. Любой ток от стока к истоку либо разряжает выход, либо является признаком пробоя. Последовательность передачи тока следующая:

1. Выходной конденсатор разряжается.
2. Внутренний диод включается,
3. Время задержки.
4. Полевой МОП-транзистор открыт и пропускает ток.
5. Полевой МОП-транзистор закрыт.
6. Внутренний диод пропускает ток.
7. Время задержки.
8. Дополнительный MOSFET открыт.
9. Внутренний диод подвергается жёсткой коммутации.

Результирующие токи показаны на схеме ниже для классического синхронного понижающего преобразователя. Входящее устройство высокого напряжения включается тремя токами, по одному на нагрузку, Q_OSS и Q_RR. В конечном итоге токи зарядки и восстановления должны снизиться, но при этом могут возникнуть усиления сигнала и скачки напряжения.

Усиление сигнала можно компенсировать скоростью переключения, замедляя входящий полевой МОП-транзистор. Этот вариант возможен для полевых МОП-транзисторов под напряжение 30 вольт, где заряд Q_RR составляет несколько десятков nC. Но применительно к устройствам на 600 вольт, где заряд Q_RR измеряется в µС, возникают сложности.

Компонент тока обратного восстановления I_RR довольно велик и в некоторых случаях может вызвать биполярную фиксацию, приводящую к разрушению полевого транзистора. По этой причине используется очень ограниченное количество «синхронных» схем высокого напряжения.

Классический повышающий преобразователь с коррекцией коэффициента мощности (PFC) работает в асинхронном режиме с повышающим диодом SiC, так как высоковольтный кремниевый МОП-транзистор в этой функции немыслим.

Устройство PFC на тотемной опоре представляет собой привлекательную топологию без выпрямителя. Но это в основном двухсторонняя синхронная повышающая структура, которая не может быть реализована без коммутационных устройств с малыми зарядами Q_RR и Q_OSS.

Переключение при нулевом напряжении + мягкая коммутация ZVS

Возможна мягкая коммутация внутреннего диода. Обычно это происходит в резонансных преобразователях, где ток MOSFET начинается в третьем квадранте, от истока к стоку, но меняет направление и переходит в первый квадрант к концу цикла. Мост ZVS с фазовой модуляцией является хорошим примером. Последовательность передачи тока теперь следующая:

1. Выходной конденсатор разряжается.
2. Основной диод включается.
3. Время задержки.
4. Полевой МОП-транзистор открывается и передаёт ток от истока к стоку.
5. Транзистор MOSFET закрыт.
6. Внутренний диод блокирует напряжение в отключенном состоянии.

Последовательность включения является обычной, но поведение диодов при выключении сильно зависит от топологии. Мягкая коммутация видится более благоприятной средой для схемы, так как имеет скрытый механизм отказа.

При жёсткой коммутации ZVS приложенное обратное напряжение создаёт электрическое поле, моментально высвобождающее электроны и дырки из области дрейфа. В условиях околонулевого прямого напряжения канала такого механизма нет.

---

При помощи информации: Vishay