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)壓器電路的設計變得愈加困難。 電源電壓和硅器件所需電壓之間的差異會在穩(wěn)壓器上產(chǎn)生一個大壓降，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 之間進行穩(wěn)壓——之間的差距通常必須利用兩個穩(wěn)壓級來彌補，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不利因素，會迫使工程師們在濾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至較快切換頻率的解決方案。 與當代幾乎所有開關式穩(wěn)壓器一樣，這種技術采用基于脈寬調(diào)制 （PWM） 工作模式，但 PWM 定時會有一個附加獨立相位來使 ZVS 工作。 ZVS 會使穩(wěn)壓器參與“軟切換”，以避免通常在傳統(tǒng) PWM 工作和定時期間產(chǎn)生的切換損耗。

本文將介紹 ZVS 并詳細解釋其優(yōu)勢。

硬切換損耗

當代的大多數(shù)非隔離式降壓轉換器會產(chǎn)生大量切換損耗，這是因為在導通和關斷狀態(tài)轉換期間，在穩(wěn)壓器的集成式金屬氧化物c場效應管 （MOSFET） 開關上同時出現(xiàn)了高電流和高電壓壓力。 這些損耗會隨著開關頻率的提高而增大，并制約最高頻率工作、效率和功率密度。

當 MOSFET 關斷和導通時，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計的快速變化電壓的實際切換波形。

圖 1：MOSFET 切換時在電流/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)壓器電路會產(chǎn)生更多電磁干擾 （EMI）。

在繼續(xù)發(fā)揮快速切換優(yōu)勢來提升效率的同時，最大限度減小 EMI 影響的一個方法是，選擇一個采用被稱作準諧振或“波谷”切換的改進型硬切換技術的開關式穩(wěn)壓器。Infineon Technologies 針對準諧振反激式開關穩(wěn)壓器推出一系列功率 MOSFET，如 CoolMOS系列。

在準諧振切換期間，MOSFET 在漏源極電壓最低（位于波谷）時導通，以使切換損耗降至最低。 這樣，設備就能在更適中的電流或電壓變化率下工作，從而減小 EMI。 準諧振切換的另一有利之處是，由于在探測到電壓波谷時觸發(fā)切換動作，而不是在某一固定頻率下，因此會引起一定程度的頻率抖動，進而擴大了 RF 發(fā)射頻譜并進一步減少了 EMI。

準諧振切換確實有其不足之處——輕負載時會導致?lián)p耗更高，但在現(xiàn)代設備中，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 在電壓波谷切換時的反激式轉換器準諧振切換波形。

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

零電壓軟切換

準諧振切換是用于提升電壓轉換效率的一項不錯的技術，但采用全軟切換后效果會更佳。 軟切換期間，電壓在 MOSFET 導通或關斷前降至零（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零時切換 MOSFET。 這就是人們熟知的零電流切換 （ZCS） 技術。） 另一個優(yōu)勢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 導通期間的傳統(tǒng) PWM 電源轉換，但采用“諧振”切換式轉換。 這項技術可視為采用恒定關斷時間控制的 PWM 電源，它能改變轉換頻率或者導通時間，以保持輸出穩(wěn)壓。 在已知單位時間內(nèi)，該方法類似于使用可調(diào)占空比的固定頻率轉換法。

通過改變轉換頻率和調(diào)節(jié)有效占空比（并因此調(diào)節(jié)了導通時間）來最終實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。 在 ZVS 關斷期間，穩(wěn)壓器的 L-C 電路發(fā)生諧振，使該開關上的電壓從零跨越至峰值，然后在該開關被再次激活時回零，實現(xiàn)無損耗 ZVS。 MOSFET 的轉換損耗為零——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、高電壓轉換器設計。1

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

ZVS 還有兩個優(yōu)勢：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 在被關斷前以消散其全部能量，且高頻時尤其如此。 長遠看來，這種“存儲”的能量會導致元件失效，在快速切換型穩(wěn)壓器中情況尤為嚴重。 電源模塊制造商已克服了這個問題，他們另外用一個快速體二極管與開關并聯(lián)，以確保所有能量從該晶體管耗盡（圖 6）。

圖 6：ZVS 拓撲結構中通常有一個快速體二極管與 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 降壓拓撲結構的原理圖。 除了在輸出電感器上多連接了一個箝位開關外，該電路與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器相同。 增加這一開關后，輸出電感器中存儲的能量可用于實現(xiàn) ZVS。

圖 7：Vicor 的 ZVS 降壓拓撲結構（感謝 Vicor 提供數(shù)據(jù)）

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

然后，經(jīng)過體二極管極短暫導通后，Q1 迅速關斷（此時增加的功率耗散可忽略不計）。 在體二極管電流換向期間，Q1 確實會出現(xiàn)與電感器峰值電流成正比的關斷損耗。 接下來，Q2 導通，輸出電感器中存儲的能量流向負載和輸出電容器。 電感器電流達到零時，同步 MOSFET Q2 保持長時間導通狀態(tài)，足以使輸出電感器能存儲一些來自輸出電容器的能量。

一旦控制器確定電感器存儲了足夠的能量后，同步 MOSFET 關斷，箝位開關導通，將 VS 節(jié)點電壓箝至 VOUT。 箝位開關將輸出電感器與輸出隔離，同時使存儲的能量以電流形式進行幾乎是無損耗的循環(huán)。 在時間非常短的電壓箝位階段，由輸出電容器提供輸出。

箝位開關在箝位階段結束時斷開。 輸出電感器中存儲的能量與 Q1 和 Q2 輸出電容的并聯(lián)組合產(chǎn)生諧振，致使 VS 節(jié)點向 VIN 方向形成振蕩。 這種振蕩會使 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)點幾乎等于 VIN 時實現(xiàn)無損耗導通。3

采用 ZVS 技術的電源模塊

Vicor 已倒向 ZVS 拓撲結構，就是一個很好的例證。 該公司發(fā)表了一篇白皮書，解釋了 ZVS 在非隔離式負載點 （POL） 降壓穩(wěn)壓器應用中的工作原理。

該公司的 Cool-Power ZVS 降壓穩(wěn)壓器構成了一個高密度隔離式 DC-DC ZVS 轉換器模塊系列，并將控制器、電源開關、平面磁性器件和輔助元件集成在一個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 三個輸入電壓工作范圍，分別適用于換向應用、堅固型高溫應用和工業(yè)應用。 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)壓器構成了一個高密度隔離式 DC-DC ZVS 轉換器模塊系列。

該公司稱，與競爭器件相比 ZVS 的效率提升高達 12%（圖 9）。

圖 9：Vicor Picor PI13312 ZVS 拓撲結構與競爭器件的效率曲線對比。

其他制造商提供可在全橋轉換器 ZVS 控制方案中使用的模塊化控制器。 例如，Linear Technology 針對這類用途提供 LTC3722 器件。 這種移相 PWM 控制器具有實現(xiàn)高頻 ZVS 全橋電源轉換器所需的全部控制和保護功能。 自適應 ZVS 電路能獨立地使每個 MOSFET 的導通信號延遲，而不受內(nèi)外元件容差的影響。 這種芯片可用作效率高達 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)視全橋轉換器，并主動控制同步整流器的輸出級。 初級側信號允許對延時進行編程，以確保 ZVS 能在寬負載電流和輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時，由負載電流調(diào)節(jié)二次側同步整流器的切換延時，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大限度提升。

提升能量密度

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

而且，ZVS 技術允許使用電壓等級較低的開關，因為這樣不會發(fā)生瞬態(tài)過壓，且施加在初級側開關上的反相電壓會受限，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，如較低導通損耗、較小驅(qū)動電流和較高能量密度。