MOS管開關電路是利用MOS管柵極(g)控製MOS管源極(s)和漏極(d)通斷的原理構造的電路。因MOS管分為N溝道與P溝道

，所以開關電路也主要分為兩種。

 

路編輯PMOS的特性，Vgs小於一定的值就會導通，適合用於源極接VCC時的情況(高端驅動)。需要注意的是，Vgs指的是柵極G與源極S的電壓
，即柵極低於電源一定電壓就導通，而非相對於地的電壓。但是因為PMOS導通內阻比較大

，所以隻適用低功率的情況。大功率仍然使用N溝道MOS管。

 

 

NMOS的特性，Vgs大於一定的值就會導通，適合用於源極接地時的情況(低端驅動)，隻要柵極電壓大於參數手冊中給定的Vgs就可以了，漏極D接電源

，源極S接地。需要注意的是Vgs指的是柵極G與源極S的壓差，所以當NMOS作為高端驅動時候，當漏極D與源極S導通時
，漏極D與源極S電勢相等
，那麼柵極G必須高於源極S與漏極D電壓，漏極D與源極S才能繼續導通。

 

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2

 

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3

 

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4

 

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5

 

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6

 

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。