通過仿真分析ZVS工作原理

作者：卓晴時(shí)間：2022-08-23 來源：

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零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch）振蕩電路是功率開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷（模式切換時(shí)）兩端電壓為0（實(shí)際上應(yīng)該是非常接近于0）的電路，這種特性使得電路功率損耗變小，所以被廣泛應(yīng)用到大功率加熱、高壓電路中。比如在一些LLC 電源，電磁爐驅(qū)動電路中。本文基于 LTspice 仿真，分析了 ZVS 振蕩器的工作原理以及相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202208/437610.htm

01 ZVS工作原理

一、背景介紹

下面借助于 LTspice 仿真軟件對 ZVS 的工作原理進(jìn)行介紹。請大家注意，一開始在 LTspice搭建ZVS振蕩器仿真[1] 電路，電路并沒有起振工作，經(jīng)過調(diào)整仿真瞬態(tài)參數(shù)，設(shè)定仿真電路電源是從 0V 開始工作，這樣電路便可以正常工作了。

圖1.1.1 ZVS LTspice 仿真電路

1、需要回答的問題

初次接觸到 ZVS 的人對于這個(gè)電路形式可能會詢問以下幾個(gè)基本問題：

● 這個(gè)電路是如何振蕩的？

● 電路器件參數(shù)是如何影響電路工作特性的？

● 電路中主要器件設(shè)計(jì)依據(jù)是什么？

二、電路振蕩原理

1、多諧振蕩器

相比于常見到的多諧振蕩電路[2] ，ZVS電路結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)鮮明的對稱性，但其中元器件更多，而且還有諧振回路，ZVS電路工作原理則顯得更加的撲朔迷離。

下面給出多諧振蕩電路的基本電路原理圖，如果你對于該電路工作原理比較熟悉，這也可以幫助你了解 ZVS 電路振蕩原理。

圖1.2.1 多諧振蕩器原理圖

這類無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路實(shí)際上是將兩級反向放大電路串聯(lián)成回路，信號經(jīng)過回路形成正反饋從而使得電路中的三極管在兩個(gè)狀態(tài)（導(dǎo)通、截止）之間反轉(zhuǎn)。下圖給出了 LTspice 仿真后， Q1 的集電極和基極電壓波形。

圖1.2.2 多諧振蕩器Q1的集電極和基極電壓波形

2、二極管耦合電路

觀察 ZVS 電路，可以看到原來的兩個(gè)耦合從 C1，C2 現(xiàn)在變成了二極管 D1，D2。下面給出了 ZVS 電路中最核心的六個(gè)器件組成的反向耦合電路。這個(gè)電路具有三個(gè)特殊的平衡狀態(tài)。

● 平衡態(tài)1：M1截止，M2導(dǎo)通：這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)。M1截止，使得 D1不導(dǎo)通。因此 R2 將電源施加在 M2 的柵極維持 M2 的導(dǎo)通；M2導(dǎo)通之后， D2 通過 M2 把 M1 的柵極接地，從而使得 M1繼續(xù)截止。

● 平衡態(tài)2：M1導(dǎo)通，M2截止：這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)。分析的方法與上面穩(wěn)態(tài)相同。

● 平衡態(tài)3：M1,M2處在放大狀態(tài) ：這是一個(gè)不穩(wěn)定的平衡態(tài)。

圖1.2.3 ZVS電路中的核心器件

在 LTspice 中，通過仿真可以計(jì)算出 M1，M2放大狀態(tài)時(shí)， M1，M2 對應(yīng)的漏極和柵極電壓。下圖給出了 M1 的柵極電壓（Vn002）以及漏極（Vn004）。電源通過 R1，R2 給 M1、M2 的柵極提供偏置電壓，這個(gè)電壓又通過 D1，D2 連接到 M2，M1的漏極。所以 M1，M2 的漏極比柵極電壓低了一個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓（大約 0.7V）。

圖1.2.4 LTspice 對M1,M2放大狀態(tài)的仿真結(jié)果

上面仿真驗(yàn)證了 M1、M2 都處在對稱放大狀態(tài)的存在，但這個(gè)狀態(tài)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，一點(diǎn)點(diǎn)的擾動可能使得電路變換到平衡態(tài) 1 或者平衡態(tài) 2。這是因?yàn)椋?/p>

● 兩個(gè) MOS 管組成的放大電路，形成正反饋；

● 每一級 MOS 的放大電路的增益在平衡態(tài)時(shí)增益大于1；

3、MOS單管放大電路

為了驗(yàn)證上面基本電路中 MOS 管處在放大狀態(tài)下的增益大于1，下面對 MOS 管電路放大特性進(jìn)行仿真求解。

（1）MOS管單管跨導(dǎo)放大特性

首先通過下圖測試 MOS 管（IRF1310）的柵極電壓與漏極電流之間的關(guān)系。

圖1.2.5 測試 MOS 管的柵極電壓 Vgs 與漏極電流 Ids之間的關(guān)系

下圖給出了柵極電壓與漏極電流之間的仿真結(jié)果?？梢钥吹疆?dāng)輸入電壓超過 3.7V 之后，漏極電流便開始快速上升。在不同的柵極電壓下（或者說在不同的漏極電流下） MOS 管的柵極電壓與漏極電流之間的動態(tài)跨導(dǎo)定義為：

圖1.2.6 MOS管柵極電壓與漏極電流之間的關(guān)系

利用仿真得到的數(shù)值，通過各自的差分比值獲得 MOS 柵極到漏極之間的跨導(dǎo)，如下是計(jì)算出的曲線?？梢钥吹?MOS 的跨導(dǎo)與漏極電流大體上可以使用平方根函數(shù)進(jìn)行建模，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)獲建模參數(shù)為：

圖1.2.7 MOS管跨導(dǎo)與漏極電流之間的關(guān)系以及平方根建模數(shù)據(jù)

（2）MOS單管放大器

下面使用單個(gè) MOS 管搭建放大電路，電路的放大倍數(shù)等于：。其中是電路靜態(tài)漏極電流工作點(diǎn)。通過仿真可以求出。根據(jù)前面求出的跨導(dǎo)模型，可以計(jì)算出，因此，可以計(jì)算出電路放大倍數(shù)約為：。

圖1.2.8 單個(gè)MOS管放大電路

下面是在電路輸入施加峰峰值為0.01V的信號時(shí)，電路輸出峰值為1V的交流信號。因此電路實(shí)際放大倍數(shù)為 100 左右。

單個(gè)MOS管輸入輸出電壓信號

通過上述仿真計(jì)算，驗(yàn)證了 MOS 管處在放大狀態(tài)增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1。

4、ZVS振蕩器

由于二極管耦合電路具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)，所以該電路上電之后便停留在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之一，并不振蕩。如果在兩個(gè) MOS 管的集電極增加一個(gè)電感之后，強(qiáng)制在兩個(gè) MOS 管的漏極之間建立一個(gè)直流通道，電路便不會在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間持續(xù)停留了，會發(fā)生什么呢？下面看看仿真后的結(jié)果。

圖1.2.10 在兩個(gè)MOS管的漏極之間增加一個(gè)電感

此時(shí)二極管耦合電路開始震蕩，也就是在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間來回切換。在上面電路圖參數(shù)下，振蕩頻率為 213KHz，這應(yīng)該是 L1 與兩個(gè) MOS管雜散電容諧振的頻率。

圖1.2.11 M1，M2漏極電壓信號

如果在 L1 上并聯(lián)一個(gè)電容 C1，電路震蕩頻率由 L1、C1的諧振頻率決定。

圖1.2.12 在L1上并聯(lián)諧振電容C1

下圖顯示了并聯(lián)諧振電容 C1 之后，電路上電后起振時(shí)兩個(gè) MOS 管漏極電壓波形。震蕩頻率為 35.04kHz，這個(gè)頻率與 C1、L1諧振頻率相同。

圖1.2.13 增加諧振電容電路起振后兩個(gè)MOS管漏極電壓波形

通過以上分析可以看到 ZVS 基本電路起振原理比較簡單，在二極管耦合電路的基礎(chǔ)上，通過將 LC 諧振電路連接在兩個(gè) MOS 管的漏極，使得電路無法停留在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，只能夠在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間來回切換，切換的頻率最終有 LC 諧振頻率決定。

三、振蕩電路的改進(jìn)

1、電路缺點(diǎn)

上面 ZVS 電路雖然能夠振蕩，但它存在一定的缺點(diǎn)。首先，電路振蕩幅度不受控制。在電路每一次切換過程中，在 C1 上的電壓低于電源電壓的器件，電源總可以通過 R1，R2， D1，D2向 C1 充電，這個(gè)電能會疊加在 LC 諧振回路中。當(dāng) C1 上的電壓超過 12V 時(shí)，截止的二極管和 MOS 管又阻止 LC中的能量消耗，這就會使的 LC 諧振電壓越來越多。

下圖顯示了電路在 0.1 秒鐘之后 MOS 管漏極震蕩電壓就超過了 180V，這個(gè)電壓已經(jīng)超過了 IRF1310 的 Vds 最高耐壓了。

圖1.3.1 MOS管電壓波形

電路的第二個(gè)缺點(diǎn)就是 LC 諧振回路帶負(fù)載能力弱。比如在 LC 諧振回路上并聯(lián)一個(gè)負(fù)載電阻 R3（100歐姆），此時(shí)兩個(gè) MOS 管的漏極電壓峰值降低到 3.3V。這主要是因?yàn)殡娫茨芰啃枰?jīng)過 R1、R2才能夠補(bǔ)充到 LC 回路，所以損耗比較大。

圖1.3.2 在LC諧振回路增加負(fù)載電阻R3之后的電路圖

圖1.3.3 增加負(fù)載之后MOS管漏極電壓波形

2、電路改進(jìn)

為了消除上面的缺點(diǎn)，考慮將電源電壓直接引入 LC 諧振回路。把原來的電感 L1 分成兩個(gè)對稱的電感 L1，L2，然后再使用一個(gè)扼流圈 L3 將 L1，L2 中點(diǎn)連接到電源 V1 上。這樣電源直流電能便可以通過電感 L3直接補(bǔ)充到諧振回路中了。

圖1.3.4 通過扼流圈L3直接把電源引入LC諧振回路

之所以使用扼流圈，也就是數(shù)值比較大的電感 L3 連接 LC 諧振回路到電源，是為了隔離 LC 諧振回路與電源之間的交流通道，即 LC 諧振回路的頻率和波形不會因?yàn)榻尤腚娫炊l(fā)生改變，因此要求 L3 的電感量比較大，需要比 L1、L2的電感量超出一個(gè)數(shù)量級以上。

下面是電路中兩個(gè) MOS 管漏極電壓以及 L1、L2 中點(diǎn)電壓波形。

圖1.3.5 兩個(gè)MOS管漏極電壓以及L1L2中點(diǎn)電壓波形

LC 諧振回路兩端電壓波形應(yīng)該是正弦波，由于諧振回路兩端被兩個(gè) MOS 管分別在兩個(gè)半周期接地，所以在每個(gè) MOS 管的漏極就出現(xiàn)了正弦波半波整流電壓波形。L1、L2中點(diǎn)的電壓波形是兩個(gè) MOS 管漏極電壓的平均值，所以它是正弦波的全波整流波形。

施加在扼流電感 L3 兩端的電壓，一端是電源電壓 V1，一端是L1、L2中點(diǎn)電壓。當(dāng) L1、L2中點(diǎn)電壓的平均值低于電源電壓 V1 時(shí)， L3 中的流向諧振回路電流變化增加，持續(xù)向 LC 諧振回路增加能力。如果 L1、L2 中點(diǎn)電壓平均值低于電源電壓 V1 時(shí)， L3 中的電流變化減少，甚至反向流向電源 V1。

因此，在電路震蕩平衡時(shí)， L1、L2 中點(diǎn)電壓的平均值應(yīng)該等于電源電壓 V1。對于峰值為 E 的全波整流信號，對應(yīng)的平均值為，所以有：

MOS 管漏極電壓峰值為 L1、L2 中點(diǎn)電壓峰值的兩倍，所以可以得到 MOS 管兩端正弦半波整流的峰值電壓為。在上面仿真電路中，由于，所以 MOS 管兩端峰值電壓為 50.3V 左右。

下面在 LC 回路兩端并聯(lián)負(fù)載電阻 R3=32Ω，經(jīng)過仿真，仍然可以看到電路振蕩幅度維持在 50V 以上，這也顯示了 LC 諧振回路很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。

圖1.3.6 在諧振回路并聯(lián)負(fù)載電阻

下圖顯示了兩個(gè) MOS 管漏極電壓和 L1、L2 中點(diǎn)電壓波形。由于負(fù)載電阻 R3 已經(jīng)小于 LC 諧振時(shí)對應(yīng)的 L 感抗（大約在44.7歐姆），所以 LC 振蕩波形已經(jīng)有了明顯的失真了。

圖1.3.7 增加有負(fù)載電阻后的MOS管漏極以及L1,L2中點(diǎn)電壓波形

如果想進(jìn)一步提高電路中 LC 回路帶負(fù)載能力，需要減少 L1、L2 的電感，增加 C1的電容，這樣便可以增加 LC 回路儲能數(shù)量，降低諧振時(shí) L 對應(yīng)的感抗。比如在上述電路中，將 L1、L2的電感減少到 20uH， C1增加到 500nF，LC 諧振頻率不變，仍然并聯(lián) 32Ω 的電阻負(fù)載，電路振蕩波形如下圖所示?？梢钥吹诫娐氛袷幨艿接绊懞苄　?/p>

圖1.3.8 電路振蕩波形

3、MOS管柵極保護(hù)

為了進(jìn)一步提高電路功率輸出，可以提高電路的工作電源 V1 的電壓值。由于 MOS 管的柵極與源極之間具有最大耐壓限制，比如對于 IRF1310 MOS 管， Vgs最大不超過 ±20V，所以需要對 MOS 管的柵極增加保護(hù)，一般是通過增加穩(wěn)壓二極管來限制 MOS 管的最大電壓。

圖1.3.9 IRF1310 柵極最大電壓限制

在最初大家看到的電路中，穩(wěn)壓二極管 D1 ，D2 就是用于保護(hù)兩個(gè) MOS 管柵極電壓的。并聯(lián)的 R1，R2 是為了加快 MOS 管柵極電壓更快的降低。

四、電路參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹的 ZVS 工作原理，對于電路中的 MOS管參數(shù)、LC 諧振回路參數(shù)、保護(hù)二極管耐壓等都比較容易選擇。下面對于電路中其它的器件參數(shù)進(jìn)行討論。

1、扼流線圈

扼流線圈一方面是放置 LC 回路受到電源回路的影響，同時(shí)也能夠降低 ZVS 電路在起振過程沖擊電流，它的電感比 LC 諧振回路中的電感要大一個(gè)數(shù)量級以上。

扼流線圈也會與 LC 回路中的電容形成諧振關(guān)系，影響 LC 電路振蕩幅度。下面是扼流圈電感去 1000nF時(shí)，ZVS 電路起振過程中 MOS 管漏極電壓信號，可以看到由于扼流線圈引起電路在起振過程中出現(xiàn)幅度的波動。

圖1.5.1 ZVS起振過程中MOS漏極電壓信號

扼流線圈電感量增加也會帶來線圈體積、串聯(lián)電阻的提升，所以在工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行折中。

2、偏置電阻

ZVS 電路中的兩個(gè)偏置電阻 R3，R4 取值會影響到 MOS 管柵極開啟電壓的速度。下面給出了電路 MOS 管的漏極電壓和柵極電壓波形，其中偏置電阻取 470 歐姆。由于二極管的作用， MOS 管的柵極電壓下降比較快，但上升過程，則是由兩個(gè)偏置電阻引起柵極電壓的上升。因此，偏置電阻需要盡可能減小，提高 MOS 管導(dǎo)通速度。