為了提升效率，功率密度 （W/m3） 和 DC 電源電壓水平不斷提升，同時(shí)硅器件的電壓需要不斷降低，這使得降壓型 DC-DC 穩(wěn)壓器電路的設(shè)計(jì)變得愈加困難。 電源電壓和硅器件所需電壓之間的差異會(huì)在穩(wěn)壓器上產(chǎn)生一個(gè)大壓降，從而增大切換損耗并最終限制該器件的切換頻率。

例如，過程控制系統(tǒng)可能需要在 3.3 - 24 V 之間進(jìn)行穩(wěn)壓——之間的差距通常必須利用兩個(gè)穩(wěn)壓級(jí)來彌補(bǔ)，因此增加了板空間、成本和可靠性問題。 而且有限的切換頻率是一個(gè)不利因素，會(huì)迫使工程師們?cè)跒V波電路中采用更大的磁體和其它無源元件，從而增大了解決方案尺寸并影響到功率密度。

零電壓切換 （ZVS） 是一種能在更高電壓和電壓降條件下恢復(fù)至較快切換頻率的解決方案。 與當(dāng)代幾乎所有開關(guān)式穩(wěn)壓器一樣，這種技術(shù)采用基于脈寬調(diào)制 （PWM） 工作模式，但 PWM 定時(shí)會(huì)有一個(gè)附加獨(dú)立相位來使 ZVS 工作。 ZVS 會(huì)使穩(wěn)壓器參與“軟切換”，以避免通常在傳統(tǒng) PWM 工作和定時(shí)期間產(chǎn)生的切換損耗。

本文將介紹 ZVS 并詳細(xì)解釋其優(yōu)勢(shì)。

硬切換損耗

當(dāng)代的大多數(shù)非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生大量切換損耗，這是因?yàn)樵趯?dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間，在穩(wěn)壓器的集成式金屬氧化物c場(chǎng)效應(yīng)管 （MOSFET） 開關(guān)上同時(shí)出現(xiàn)了高電流和高電壓壓力。 這些損耗會(huì)隨著開關(guān)頻率的提高而增大，并制約最高頻率工作、效率和功率密度。

當(dāng) MOSFET 關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)，在電流和電壓重疊期間發(fā)生硬切換。 穩(wěn)壓器制造商嘗試通過提高切換波形中的電流變化率 （di/dt ） 和電壓變化率 （dv/dt） 來最大限度減少這種重疊，進(jìn)而最大限度減小切換損耗。 圖 1 和圖 2 展示了切換損耗發(fā)生位置，以及為了最大限度降低這種損耗而設(shè)計(jì)的快速變化電壓的實(shí)際切換波形。

圖 1：MOSFET 切換時(shí)在電流/電壓重疊期間發(fā)生的穩(wěn)壓器損耗（感謝 Infineon Technologies 提供數(shù)據(jù)）。

圖 2：Infineon Technologies 通過增大 dv/dt 來最大限度地減少重疊、提升效率（感謝 Infineon Technologies 提供數(shù)據(jù)）。

快速切換不利的一面是穩(wěn)壓器電路會(huì)產(chǎn)生更多電磁干擾 （EMI）。

在繼續(xù)發(fā)揮快速切換優(yōu)勢(shì)來提升效率的同時(shí)，最大限度減小 EMI 影響的一個(gè)方法是，選擇一個(gè)采用被稱作準(zhǔn)諧振或“波谷”切換的改進(jìn)型硬切換技術(shù)的開關(guān)式穩(wěn)壓器。Infineon Technologies 針對(duì)準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)穩(wěn)壓器推出一系列功率 MOSFET，如 CoolMOS系列。

在準(zhǔn)諧振切換期間，MOSFET 在漏源極電壓最低（位于波谷）時(shí)導(dǎo)通，以使切換損耗降至最低。 這樣，設(shè)備就能在更適中的電流或電壓變化率下工作，從而減小 EMI。 準(zhǔn)諧振切換的另一有利之處是，由于在探測(cè)到電壓波谷時(shí)觸發(fā)切換動(dòng)作，而不是在某一固定頻率下，因此會(huì)引起一定程度的頻率抖動(dòng)，進(jìn)而擴(kuò)大了 RF 發(fā)射頻譜并進(jìn)一步減少了 EMI。

準(zhǔn)諧振切換確實(shí)有其不足之處——輕負(fù)載時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗更高，但在現(xiàn)代設(shè)備中，已利用頻率箝位電路限制最高工作頻率的方法消除了該問題。 圖 3 所示為 MOSFET 在電壓波谷切換時(shí)的反激式轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)諧振切換波形。

圖 3：反激式轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)諧振切換波形（感謝 Infineon Technologies 提供數(shù)據(jù)）。

零電壓軟切換

準(zhǔn)諧振切換是用于提升電壓轉(zhuǎn)換效率的一項(xiàng)不錯(cuò)的技術(shù)，但采用全軟切換后效果會(huì)更佳。 軟切換期間，電壓在 MOSFET 導(dǎo)通或關(guān)斷前降至零（非最小值），從而徹底消除了電壓和電流重疊的情形，將損耗降至最低。 （這一方法也可用來在電流而非電壓到達(dá)零時(shí)切換 MOSFET。 這就是人們熟知的零電流切換 （ZCS） 技術(shù)。） 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)便是平滑的切換波形能將 EMI 降至最少（圖 4）。

圖 4：軟切換 MOSFET 的電流和電壓波形（感謝 Infineon Technologies 提供數(shù)據(jù)）

軟切換 （ZVS） 可定義為 MOSFET 導(dǎo)通期間的傳統(tǒng) PWM 電源轉(zhuǎn)換，但采用“諧振”切換式轉(zhuǎn)換。 這項(xiàng)技術(shù)可視為采用恒定關(guān)斷時(shí)間控制的 PWM 電源，它能改變轉(zhuǎn)換頻率或者導(dǎo)通時(shí)間，以保持輸出穩(wěn)壓。 在已知單位時(shí)間內(nèi)，該方法類似于使用可調(diào)占空比的固定頻率轉(zhuǎn)換法。

通過改變轉(zhuǎn)換頻率和調(diào)節(jié)有效占空比（并因此調(diào)節(jié)了導(dǎo)通時(shí)間）來最終實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。 在 ZVS 關(guān)斷期間，穩(wěn)壓器的 L-C 電路發(fā)生諧振，使該開關(guān)上的電壓從零跨越至峰值，然后在該開關(guān)被再次激活時(shí)回零，實(shí)現(xiàn)無損耗 ZVS。 MOSFET 的轉(zhuǎn)換損耗為零——絲毫不受工作頻率和輸入電壓的影響，也就是說能顯著地節(jié)省功耗，極大地提升效率（圖 5）。 這一特性使 ZVS 非常適用于高頻、高電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。1

圖 5：傳統(tǒng) PWM 采用固定頻率，但會(huì)通過改變占空比來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，與之相反，ZVS 是通過改變轉(zhuǎn)換頻率（然后由此改變導(dǎo)通時(shí)間）來保持輸出電壓的（感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）

ZVS 還有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：減小任何 EMI 的諧波頻譜（使其集中于切換頻率）和允許更高頻率工作，這會(huì)使噪聲更少、更易過濾并允許使用更小的濾波元件。

缺憾之處是無法保證 MOSFET 在被關(guān)斷前以消散其全部能量，且高頻時(shí)尤其如此。 長(zhǎng)遠(yuǎn)看來，這種“存儲(chǔ)”的能量會(huì)導(dǎo)致元件失效，在快速切換型穩(wěn)壓器中情況尤為嚴(yán)重。 電源模塊制造商已克服了這個(gè)問題，他們另外用一個(gè)快速體二極管與開關(guān)并聯(lián)，以確保所有能量從該晶體管耗盡（圖 6）。

圖 6：ZVS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中通常有一個(gè)快速體二極管與 MOSFET 并聯(lián)，以確保所有能量從該晶體管耗散（感謝 Infineon Technologies 提供數(shù)據(jù)）。

起作用的零電壓切換

圖 7 所示為 ZVS 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理圖。 除了在輸出電感器上多連接了一個(gè)箝位開關(guān)外，該電路與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器相同。 增加這一開關(guān)后，輸出電感器中存儲(chǔ)的能量可用于實(shí)現(xiàn) ZVS。

圖 7：Vicor 的 ZVS 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（感謝 Vicor 提供數(shù)據(jù)）

這種 ZVS 降壓轉(zhuǎn)換器有三個(gè)主要工作狀態(tài)。 這些狀態(tài)分別定義為 Q1 導(dǎo)通階段、Q2 導(dǎo)通階段和箝位階段。 在電流為零以及當(dāng)漏源電壓接近零時(shí) Q1 導(dǎo)通。 MOSFET 和輸出電感器中的電流增大，直至由 Q1 的導(dǎo)通時(shí)間、電感器上的電壓和電感值確定的峰值電流。 Q1 導(dǎo)通階段，能量存儲(chǔ)在輸出電感器中并為輸出電容器充電。 Q1 導(dǎo)通階段，Q1 中的功率耗散取決于 MOSFET 的導(dǎo)通電阻且切換損耗可忽略不計(jì)。

然后，經(jīng)過體二極管極短暫導(dǎo)通后，Q1 迅速關(guān)斷（此時(shí)增加的功率耗散可忽略不計(jì)）。 在體二極管電流換向期間，Q1 確實(shí)會(huì)出現(xiàn)與電感器峰值電流成正比的關(guān)斷損耗。 接下來，Q2 導(dǎo)通，輸出電感器中存儲(chǔ)的能量流向負(fù)載和輸出電容器。 電感器電流達(dá)到零時(shí)，同步 MOSFET Q2 保持長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通狀態(tài)，足以使輸出電感器能存儲(chǔ)一些來自輸出電容器的能量。

一旦控制器確定電感器存儲(chǔ)了足夠的能量后，同步 MOSFET 關(guān)斷，箝位開關(guān)導(dǎo)通，將 VS 節(jié)點(diǎn)電壓箝至 VOUT。 箝位開關(guān)將輸出電感器與輸出隔離，同時(shí)使存儲(chǔ)的能量以電流形式進(jìn)行幾乎是無損耗的循環(huán)。 在時(shí)間非常短的電壓箝位階段，由輸出電容器提供輸出。

箝位開關(guān)在箝位階段結(jié)束時(shí)斷開。 輸出電感器中存儲(chǔ)的能量與 Q1 和 Q2 輸出電容的并聯(lián)組合產(chǎn)生諧振，致使 VS 節(jié)點(diǎn)向 VIN 方向形成振蕩。 這種振蕩會(huì)使 Q1 的輸出電容放電，減少 Q1 的柵極到漏極 （Miller） 電荷并向 Q2 的輸出電容充電。 這樣，Q1 能在 VS 節(jié)點(diǎn)幾乎等于 VIN 時(shí)實(shí)現(xiàn)無損耗導(dǎo)通。3

采用 ZVS 技術(shù)的電源模塊

Vicor 已倒向 ZVS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是一個(gè)很好的例證。 該公司發(fā)表了一篇白皮書，解釋了 ZVS 在非隔離式負(fù)載點(diǎn) （POL） 降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用中的工作原理。

該公司的 Cool-Power ZVS 降壓穩(wěn)壓器構(gòu)成了一個(gè)高密度隔離式 DC-DC ZVS 轉(zhuǎn)換器模塊系列，并將控制器、電源開關(guān)、平面磁性器件和輔助元件集成在一個(gè)高密度表面貼裝封裝內(nèi)。

這些電源模塊有 48 V、28 V 和 24 V 三個(gè)輸入電壓工作范圍，分別適用于換向應(yīng)用、堅(jiān)固型高溫應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用。 這些模塊均具備各種可編程特性（含輸出電壓微調(diào)）和可編程軟件能力（圖 8）。

圖 8：Vicor 的 Cool-Power ZVS 降壓穩(wěn)壓器構(gòu)成了一個(gè)高密度隔離式 DC-DC ZVS 轉(zhuǎn)換器模塊系列。

該公司稱，與競(jìng)爭(zhēng)器件相比 ZVS 的效率提升高達(dá) 12%（圖 9）。

圖 9：Vicor Picor PI13312 ZVS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與競(jìng)爭(zhēng)器件的效率曲線對(duì)比。

其他制造商提供可在全橋轉(zhuǎn)換器 ZVS 控制方案中使用的模塊化控制器。 例如，Linear Technology 針對(duì)這類用途提供 LTC3722 器件。 這種移相 PWM 控制器具有實(shí)現(xiàn)高頻 ZVS 全橋電源轉(zhuǎn)換器所需的全部控制和保護(hù)功能。 自適應(yīng) ZVS 電路能獨(dú)立地使每個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通信號(hào)延遲，而不受內(nèi)外元件容差的影響。 這種芯片可用作效率高達(dá) 93% 的穩(wěn)壓器基本器件。

在這類芯片方面，Texas Instruments （TI） 提供一款用于 ZVS 穩(wěn)壓的 DC-DC 切換控制器芯片 UCC28950。 該控制器能監(jiān)視全橋轉(zhuǎn)換器，并主動(dòng)控制同步整流器的輸出級(jí)。 初級(jí)側(cè)信號(hào)允許對(duì)延時(shí)進(jìn)行編程，以確保 ZVS 能在寬負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)，由負(fù)載電流調(diào)節(jié)二次側(cè)同步整流器的切換延時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大限度提升。

提升能量密度

高密度穩(wěn)壓器正努力適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)的要求，主要原因是切換損耗已嚴(yán)重影響到穩(wěn)壓器 MOSFET 的性能。 ZVS 克服了這類損耗問題，可運(yùn)用于大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中，但最有利于那些采用高壓輸入的應(yīng)用。 相比同類 PWM 控制型應(yīng)用，高壓全橋和半橋 ZVS 應(yīng)用能顯著提升效率。

而且，ZVS 技術(shù)允許使用電壓等級(jí)較低的開關(guān)，因?yàn)檫@樣不會(huì)發(fā)生瞬態(tài)過壓，且施加在初級(jí)側(cè)開關(guān)上的反相電壓會(huì)受限，最高為輸入電壓峰值。 這樣，工程師們就能自由地使用具有優(yōu)異特性的元件，如較低導(dǎo)通損耗、較小驅(qū)動(dòng)電流和較高能量密度。