圖1

 

這裏就用MOSFET代替BJT了

，所以ids = ic
，Vds=Vce
，Coss也就是Cds代表輸出電容。簡單來說就是當MOS管一開始導通時輸出電容Coss還保持Vds電壓
，隨著Ids電流越來越大，Vds電壓終於保持不住，開始下降。直到管子完全開啟。比較詳細的開啟過程是由Miller Plateau造成的，這裏借用了網上一些解釋Miller Plateau的圖
，如果有不清楚的就請見諒了。

　　

階段1，Vgs 《 Vth
，管子是關斷的，所以Ids = 0
，Vds=high
，ig充電Cgs。

　　

階段2，Vgs 》 Vth，管子開啟，Ids從0增加到iL被外部電流源電感鉗住，Coss（Cds）上電壓不能突變，保持Vds。

　　

階段3，進入Miller plateau，Vgs 》 Vth，管子仍然保持開啟，Coss開始discharge，Vds電壓開始下降，於此同時Cgd開始被ig充電。Vg保持不變。

　　

階段4，Vd下降到接近0點，ig繼續給ig充電Cgs和Cgd充電。

　　

階段5，Vg到達gate driver預定的電壓，管子開啟過程完成。

　　

關斷過程和開啟過程類似
，也會有Miller plateau效應。

　　

我們可以看到，如果如果MOS管開啟時VDS上有原始電壓
，那麼MOS開啟過程中就會有Ids和Vds的重疊
，那麼會帶來Switching Loss。由於Coss上的能量在極短時間內被釋放，電容上能量會損失掉（換算為Loss為0.5*Coss*Vds^2*fs），而且隻要是非零電壓開啟（Non Zero Voltage Switching），會給PCB和MOS的寄生電感與電容形成的諧振腔（resonant tank）引入比較大的dv/dt或者di/dt激勵，引起比較大的ringing
，甚至超過管子的額定電壓
，燒毀管子。

　　

那麼我們可以避免這種情況的發生嗎


？答案是可以的，也就是很多人提到的Zero Voltage Switching，雖然會付出一定的代價。我們先看如何能實現軟開關開啟Zero Voltage Switching Turn on。

 

圖二

       

實現ZVS turn on很簡單，隻需要在我們開啟管子前，Vds上的電壓為零就好
，這樣Ids和Vds就沒有重疊了，turn on switching loss為零，沒有high di/dt
， dv/dt問題，沒有ringing

，完美！那麼如何實現ZVS turn on呢
？個人覺得分兩種情況討論：1為PWM converter，2為resonant converter（諧振變換器）。

　　

一
， 對於PWM converter，就拿最簡單的兩個管子的half bridge（其實也就是buck converter）做例子。

 

圖三

 

對於half bridge 實現ZVS turn on，我們希望當上管Q1開啟時電流是流進switching node （vsw）的
，也就是圖中電感電流為負值
，當下管Q2開啟時我們希望電流是流出switching node （vsw）的
，也就是電感電流為正值。為什麼這樣就可以實現ZVS turn on了呢
？我們就看上管Q1開啟過程。如果電感電流iL為負，這時候我們先關閉Q2，這時候Q1還未開啟，在這個deadtime中iL會charge Q2的Coss，使Vsw抬高到Vin，當然不能超過Vin

，因為Q1的body diode會導通，鉗位住Vsw到Vin，這時候Q1的Vds就是Vin-Vsw=0，這時候我們開啟Q1就實現ZVS了。同理對於Q2開啟時
，如果電感電流為正，那麼當我們首先關閉Q1管時，Vsw就會被電感電流拉低到0
，因為iL》0， Q2的Coss會discharged到0，然後我們再開啟Q2，就可以達到ZVS了。這裏我有一張其他Topology的PWM converter的波形圖，也和buck工作原理類似，大概可以看看基本原理，也就是電感電流為負時，Q1可以實現ZVS
，讓Vsw的ringing比較小。而當電感電流為正時，實現不了ZVS，Vsw的ringing就比較大了。

 

圖四

 

二， 對於resonant converter
，其實道理類似，我們也希望在我們開啟管子前
，Vds上的電壓為零。那麼對於resonant converter的half bridge，我們希望看到的impedance為inductive，也就是感性的，這樣switching node流出的電流I就會滯後於電壓V
，現在ZVS turn on。

 

圖五

 

這是因為如果電流I是滯後與電壓V的
，這樣在Q1開啟之前電流I為負值就會charge Q2的Coss
，同時discharge Q1的Coss
，讓V到Vin，這樣Q1就實現ZVS turn on了。Q2開啟之前

，電流I為正，也會discharge Q2的Coss，和charge Q1的Coss
，讓V到0，這樣Q2就實現ZVS了。

　　

總結起來
，要實現ZVS turn on
，對於PWM

，需要電感電流為負

，而且需要足夠的deadtime
；對於resonant converter
，需要impedance為inductive，而且也需要deadtime。那麼有人可能要問
，對於PWM converter到底電感電流為多負？deadtime至少為多少可以保證ZVS？對於resonant converter
， impedance 到底為多少？deadtime為多少可以保證ZVS？

　　

要回答這個定量問題，其實是不那麼簡單的。對於PWM converter，參考quasi-square-wave   ZVS buck converters

，我們是可以畫出state plane，然後根據state planetudejiheguanxidingliangfenxichulaide

，danshifeichangfansuo，changchangshiqibagesanjiaohanshudengshiqiujie。suoyiwogerenyujian，zaishejishang，jiurangkaiguanpinlvxiaodian，dianganzhixiaodian
，rangdiangandianliuripple足夠大，能達到負值就差不多了。對於resonant converter

，倒是可以簡單地通過積分方法
，算出i與t的積分，讓這個it積分大於Coss上的charge就行。比如已知impedance，算出V與I的phase shift，然後換算成時間td，然後在td上對電感電流進行積分
，隻要這個積分大於等於Coss*Vin就行了。

 

圖六

 

說了soft switching， ZVS這麼多好處
，我們談談soft switching的弊端。對於PWM converter我們可以看到為了實現ZVS，我們減小了電感值，讓電感電流ripple變大
，最終達到負值，實現了ZVS
，但是付出的代價就是inductor current的RMS值變大
，各個元器件的導通損耗（conduction loss）變大，所以我們是犧牲了conduction loss換取switching loss和小ringing。而且如果輸出電流越大

，我們需要實現ZVS的難度更大
，需要進一步增大ripple，造成RMS電流進一步增大，很有可能得不償失，造成converter整體效率下降。對於resonant converter，在頻率很高的情況下，有時候需要讓impedance非常inductive，也就是I滯後於V非常厲害才能有足夠的charge q來實現ZVS，這其實也是變相降低了有功功率的傳輸，因為V和I的phase lag比較大，造成了converter的circulating current比較大
，RMS電流值增大，也是增大了conduction loss。所以在設計或者考慮ZVS等soft switching時需要對係統有個整體loss的把握，在conduction loss和switching loss之間做好trade-off，這樣才能設計出效率最高，最魯棒的converter。 　　

         

另外soft switching軟開關技術還有ZVS turn off，Zero Current Switching turn on，Zero Current Switching turn off。這裏就簡單介紹了ZVS turn on，因為ZVS turn on對於MOSFET和GaN比較重要
，其他softswitching技術這裏就不一一敘述了。