Chuyển mạch cứng trong MOSFET, đặc biệt là trong bộ chuyển đổi DC / DC, là một trong những yếu tố làm giảm tuổi thọ của hệ thống và gây tổn thất quá mức, làm giảm hiệu quả chuyển đổi công suất. trong bộ điều khiển có dòng điện đầu vào thấp. Điều này có thể không gây ra vấn đề về độ tin cậy, nhưng nó đã trở thành một yếu tố lớn hơn trong cấu trúc liên kết bộ điều khiển đa chuyển mạch ngày nay. hoạt động ở điện áp thấp và dòng điện cao. Việc chuyển mạch cứng tần số cao trong các thiết kế này cũng làm cho EMC trở nên khó khăn hơn, bằng cách tăng bức xạ ở tần số cao hơn.

Đây là lý do tại sao nhiều bộ điều khiển chuyển mạch tập trung sử dụng chuyển mạch điện áp bằng không. Phần tử chuyển mạch mở ra khi điện áp bằng không. Một số trình điều khiển cổng cũng có chức năng này để sử dụng với cấu trúc liên kết cụ thể. Khi các thiết bị mở rộng lên công suất cao hơn và có số lượng MOSFET lớn hơn, trình điều khiển cổng rời rạc thường được yêu cầu chuyển đổi MOSFET để mở đủ nhanh.

Bài viết này sẽ xem xét cách ZVS có thể được triển khai trong các bộ điều khiển công suất cao, nơi yêu cầu phản hồi nhanh và nhỏ.

Chuyển mạch điện áp không được sử dụng như thế nào trong bộ chuyển đổi DC / DC?

ZVS trong bộ điều khiển chuyển mạch là một kỹ thuật chuyển mạch mềm, trong đó công tắc nguồn (MOSFET trong bộ điều khiển chuyển mạch) được bật khi điện áp giảm qua công tắc gần 0 vôn. Điều này làm giảm dòng điện tăng cao có thể xảy ra khi bật công tắc với điện áp cao nằm trên các đầu nối xả và đầu cuối nguồn của MOSFET.

Bộ điều khiển công suất cao và tiếng ồn thấp Đặc biệt là bộ điều khiển nhiều pha hoạt động ở điện áp logic thấp hoặc được thiết kế cho nguồn điện RF, hãy sử dụng cách tiếp cận như vậy vì một số lý do:

• Lái cửa mở trong khi Vds = 0 V giới hạn dòng điện tăng.
• Lái cổng ở 0 V làm giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch.
• Giảm dòng điện tăng cũng làm giảm sự bùng nổ mạnh trong từ trường, có thể được coi là sóng điện từ bức xạ hoặc dẫn điện ở sóng hài của tần số chuyển mạch.
• Giảm tổn thất do bật nguồn và lao xuống sẽ làm cho các thành phần tồn tại lâu hơn.
• Giảm tổn thất chuyển mạch ở tần số cao giúp cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng tổng thể.

Cấu trúc liên kết được triển khai trong ứng dụng này là bộ chuyển đổi cộng hưởng / cộng hưởng ảo. Bộ chuyển đổi đa pha (buck boost hoặc buck-boost) và cấu trúc liên kết cầu nối

Về nguyên tắc, Có hai yêu cầu để thực hiện ZVS, bao gồm:

• Cho phép trình điều khiển cổng đo voltage trực tiếp và bắt đầu chuyển mạch. Đó là, nó là một phần của mạch điều khiển nội bộ.
• Khai thác năng lượng được lưu trữ trong điện dung ký sinh hoặc điện dung bên ngoài buộc MOSFET Vds về 0 V thông qua cộng hưởng cộng hưởng.

Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ về điện áp được đánh dấu ở MOSFET phía cao và phía thấp trong bộ chuyển đổi buck đồng bộ.

Trong mạch đơn giản này, ZVS hoạt động bằng cách chuyển đổi cổng MOSFET phía cao và phía thấp. Khi V (ds) = 0, điện áp V (tắt) là giá trị V (ds) của MOSFET. Khi giá trị V (ds) của trạng thái đóng là 0 V, mạch trình điều khiển cổng có thể chuyển MOSFET sang trạng thái mở.

Trong các thiết kế này, ổ cổng phải thực hiện một số nhiệm vụ, bao gồm cảm biến các điện áp khác nhau. Sử dụng điện áp tham chiếu bên trong ổn định để so sánh và tạo ra tín hiệu PWM cần thiết để điều khiển MOSFET cổng, mạch truyền động cổng có thể sử dụng thời gian chết trong một số cấu trúc liên kết, chẳng hạn như trong cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC / DC nhóm đẩy, để giảm bắn qua, do đó mở rộng phạm vi giá trị chu kỳ có sẵn cao hơn.

Điều gì thúc đẩy MOSFET về trạng thái 0 V?

MOSFET trong bộ chuyển đổi chuyển mạch được điều khiển về không bởi giá trị điện cảm ký sinh và điện dung đầu ra của MOSFET (Coss), tạo ra một mạch cộng hưởng có thể lên lịch cẩn thận cho sự kiện chuyển mạch. Nếu năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm hoặc máy biến áp có thể được xả hoàn toàn, Coss có thể được xả hoàn toàn trong một thời gian cố định của mạch. Không cần mạch LC cộng hưởng mô-đun.

Ví dụ: cấu trúc liên kết công tắc cứng có thể sử dụng ZVS bằng cách tận dụng điện cảm và điện dung ký sinh, trong khi cấu trúc liên kết mô-đun có thể sử dụng năng lượng được lưu trữ trong điện cảm rò rỉ của máy biến áp, phóng điện coss của MOSFET khác. Bộ chuyển đổi cộng hưởng (ví dụ: cộng hưởng LLC) có thể dễ dàng đạt được ZVS vì các điều kiện cộng hưởng đã được thực hiện trong quá trình chuyển mạch.

Ứng dụng chuyển mạch điện áp không

Một mạch ZVS đơn giản có thể được đưa vào hoạt động bằng cách sử dụng máy phát xung nhanh. Hẹn giờ trễ và bộ so sánh tương tự. Mục tiêu là mở hoặc đóng cổng đủ nhanh để đáp ứng với điện áp đo được xuống 0 vôn, điều này đòi hỏi bộ so sánh nhanh và logic nhanh, thường có thể áp dụng cho các bộ vi điều khiển nhỏ và bộ so sánh mô-đun.

Một cách tiếp cận để áp dụng hệ thống truyền động cổng nhỏ gọn với ZVS là sử dụng bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp. Các thành phần này có thể sử dụng bộ so sánh tích hợp để theo dõi điện áp và dòng điện, cũng như xác định các điều kiện logic cho các giá trị này để phát hiện lỗi.

Đối với MOSFET (hoặc mảng song song) lớn hơn về mặt vật lý, điều này sẽ được sử dụng với bộ chuyển đổi DC / DC có công suất cao hơn. Trình điều khiển xung trong cấu trúc liên kết ZVS được đơn giản hóa này sẽ cần cung cấp nhiều dòng điện hơn để cho phép MOSFET có thời lượng gia tăng ngắn hơn, điều này có thể yêu cầu MOSFET nhỏ hơn làm nguồn cung cấp dòng điện không được kiểm soát, có thể yêu cầu điện trở giới hạn dòng điện để kiểm soát thời gian tăng của MOSFET cao hơn. Các mạch bổ sung thường được yêu cầu bao gồm bàn phím số / kẹp. RCD để giải quyết vấn đề dao động do điện cảm quá mức dọc theo đường dẫn dòng điện đầu ra.