Перейти к содержанию

ZVS — переключение при нулевом напряжении

В обычном жёстком переключении транзистор включается под полным напряжением и разряжает свою выходную ёмкость через себя. На сотнях вольт и сотнях килогерц это заметная доля потерь. Мягкая коммутация убирает их: напряжение снимают до включения.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

ZVS (zero-voltage switching, переключение при нулевом напряжении) — способ коммутации силового транзистора, при котором к моменту его включения напряжение сток–исток уже снято резонансной цепью. Это частный случай мягкой коммутации; другой — переключение при нулевом токе (ZCS). Противоположность — жёсткое переключение, когда ключ включается под полным напряжением.

Безопасность. ZVS применяют прежде всего в сетевых преобразователях: мосты работают от выпрямленной сети 300–400 В. Отлаживать такие схемы можно только через разделительный трансформатор или с изолированным дифференциальным щупом, с разряженными конденсаторами шины перед любым касанием.

Откуда потери жёсткого переключения

У MOSFET есть выходная ёмкость Coss. При жёстком включении она заряжена до входного напряжения и разряжается через канал самого ключа, а ток и напряжение какое-то время существуют одновременно. Обе составляющие потерь растут с частотой переключения и с напряжением, поэтому именно в высоковольтных высокочастотных преобразователях они ограничивают КПД (TI SLUA107A, Introduction).

Как получают ZVS

Резонансная цепь из индуктивности и ёмкостей ключей перезаряжает узел переключения, пока оба ключа закрыты, — во время мёртвого времени. Когда напряжение на ключе, которому пора включаться, падает до нуля, ток продолжает течь через его внутренний диод, а ключ включают уже без потерь. В фазосдвигающем мосте роль резонансной индуктивности играет индуктивность рассеяния трансформатора, иногда с добавочным дросселем (SLUA107A, ZVS Fundamentals).

Условия по энергии

TI формулирует их так (SLUA107A, Resonant Circuit Limitations):

  • энергии в резонансной индуктивности должно хватить, чтобы перезарядить ёмкости до противоположной шины;
  • переход должен уложиться в отведённое время — не больше четверти резонансного периода.

Ёмкость перехода CR = 8/3·Coss + Cxfmr: ёмкости двух ключей стойки включены параллельно, а Coss умножают на 4/3, учитывая её зависимость от напряжения. Энергия, нужная для перехода:

WCR=(43Coss+12Cxfmr)VIN2≤WLR=12LRIPRI2W_{C_R} = \left(\frac{4}{3} C_{oss} + \frac{1}{2} C_{xfmr}\right) V_{IN}^2 \le W_{L_R} = \frac{1}{2} L_R I_{PRI}^2

Отсюда главный недостаток: энергия индуктивности пропорциональна квадрату тока, и при малой нагрузке ZVS теряется. Поэтому контроллеры вроде UCC28950 меняют мёртвое время в зависимости от тока: задержка растёт к малой нагрузке, а при очень малой нагрузке контроллер переходит в пакетный режим (SLUSDB2B, разд. 6.1 и 6.3.6). Ещё одна цена — время переходов отнимает часть рабочего цикла; по оценке TI выше примерно 500 кГц это начинает съедать заполнение и требует менять коэффициент трансформации.

Частые вопросы

Что даёт ZVS?

Ключ включается, когда напряжение на нём уже около нуля, поэтому нет потерь на перекрытие тока и напряжения при включении и на разряд собственной выходной ёмкости через канал. Эти потери пропорциональны частоте и квадрату напряжения, так что выигрыш наибольший в сетевых преобразователях на сотни вольт и сотни килогерц. Попутно снижаются выбросы и помехи: напряжение меняется по плавной резонансной кривой.

Почему ZVS пропадает при малой нагрузке?

Перезарядить ёмкости ключей и трансформатора должна энергия, запасённая в индуктивности, а она пропорциональна квадрату тока: ½·L·I². При малой нагрузке ток мал, энергии не хватает, и ключ включается при ненулевом напряжении. TI в SLUA107A называет два условия: хватает энергии и переход укладывается в отведённое время, не больше четверти резонансного периода.

Причём тут мёртвое время?

Пока оба ключа полумоста закрыты, ток индуктивности перезаряжает их ёмкости, а потом течёт через внутренний диод того ключа, который пора включать. Если мёртвое время слишком короткое, ключ включится раньше, чем напряжение дошло до нуля; если слишком длинное, ток успеет развернуться. Поэтому контроллеры вроде UCC28950 подстраивают задержку по току нагрузки.

Источники

  1. Texas Instruments. Phase-Shifted Full-Bridge, Zero-Voltage Transition Design Considerations (SLUA107A, revised August 2011) — Introduction: паразитные элементы используются для резонансных переходов вместо рассеяния в снабберах, резонансный контур ставит нулевое напряжение на ключ до включения и убирает потери от перекрытия тока и напряжения; выигрыш наибольший у высокочастотных преобразователей с высоким входным напряжением; ZVS Fundamentals: преднамеренное мёртвое время, ключ закрыт и зажат на нуле, ток течёт через внутренний диод; Resonant Circuit Limitations: при малой нагрузке энергии резонансной индуктивности должно хватить, чтобы перезарядить ёмкости до противоположной шины, и переход должен уложиться в отведённое время, иначе переключение с потерями; время перехода не больше четверти резонансного периода; CR = 8/3·Coss + Cxfmr (Coss умножают на 4/3 из-за роста при высоком напряжении); W(CR) = ½·CR·Vpri² = (4/3·Coss + ½·Cxfmr)·VIN²; W(LR) = ½·LR·Ipri²; в трансформаторе энергия запасена в индуктивности рассеяния, иногда добавляют внешний дроссель; выше 500 кГц переходы съедают рабочее заполнение
  2. Texas Instruments. UCC2895x Advanced Phase-Shift PWM Controller With Synchronous Rectification (SLUSDB2B, revised October 2024) — разд. 6.1: мёртвое время между верхним и нижним ключом моста задают выводы DELAB и DELCD и подстраивают по нагрузке через ADEL, чтобы получить ZVS во всём рабочем диапазоне; при малой нагрузке — режим DCM для синхронных выпрямителей и пакетный режим; разд. 6.3.6: задержка растёт от TABSET1 при VCS = 1,8 В к TABSET2 при VCS = 0,2 В — исключает сквозной ток и оптимизирует задержку для ZVS; рекомендуют начинать с больших задержек, чтобы избежать жёсткого переключения, и настраивать оптимальные задержки сначала при малой нагрузке

Нашли ошибку?

Смотрите также