การสลับแบบฮาร์ดใน MOSFET โดยเฉพาะในตัวแปลง DC/DC เป็นปัจจัยหนึ่งที่ลดอายุการใช้งานของระบบและก่อให้เกิดการสูญเสียที่มากเกินไป ซึ่งลดประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน ในตัวควบคุมที่มีกระแสอินพุตต่ำ สิ่งนี้อาจไม่ก่อให้เกิดปัญหาด้านความน่าเชื่อถือ แต่กลายเป็นปัจจัยที่ใหญ่ขึ้นในโทโพโลยีตัวควบคุมแบบสวิตชิ่งหลายแบบในปัจจุบัน ซึ่งทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำและกระแสไฟฟ้าสูง การสลับแบบฮาร์ดที่ความถี่สูงในการออกแบบเหล่านี้ยังทำให้ EMC มีความท้าทายมากขึ้น โดยการเพิ่มการแผ่รังสีที่ความถี่สูงขึ้น

นี่คือเหตุผลที่ตัวควบคุมการสลับแบบรวมศูนย์จำนวนมากจึงใช้การสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) ซึ่งองค์ประกอบการสลับจะเปิดเมื่อแรงดันไฟฟ้าคร่อมเป็นศูนย์ ไดรเวอร์เกตบางตัวก็มีฟังก์ชันนี้สำหรับใช้กับโทโพโลยีเฉพาะ เมื่ออุปกรณ์ขยายกำลังให้สูงขึ้นและมี MOSFET จำนวนมากขึ้น มักจำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์เกตแบบแยกส่วนเพื่อสลับ MOSFET ให้เปิดได้เร็วพอ

บทความนี้จะพิจารณาถึงวิธีการนำ ZVS ไปใช้ในตัวควบคุมพลังงานสูงซึ่งจำเป็นต้องมีการตอบสนองอย่างรวดเร็วและมีขนาดเล็ก

การสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ใช้ในตัวแปลง DC/DC อย่างไร

ZVS ในตัวควบคุมการสวิตชิ่งเป็นเทคนิคการสวิตชิ่งแบบซอฟต์สวิตช์ โดยสวิตช์ไฟ (MOSFET ในตัวควบคุมการสวิตชิ่ง) จะเปิดเมื่อแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมสวิตช์ใกล้ 0 โวลต์ ยกตัวอย่างเช่น ในตัวแปลงบัคแบบซิงโครนัสที่ใช้ MOSFET แบบ N-channel แรงดันไฟฟ้าที่อ้างอิงคือแรงดันไฟฟ้าเดรน-ซอร์ส (Vds) ตกคร่อม MOSFET ด้านสูงและด้านต่ำ วิธีนี้ช่วยลดกระแสกระชากสูงที่อาจเกิดขึ้นเมื่อเปิดสวิตช์ด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงตกคร่อมขั้วเดรนและขั้วซอร์สของ MOSFET

ตัวควบคุมกำลังไฟฟ้าสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ โดยเฉพาะตัวควบคุมหลายเฟสที่ทำงานที่แรงดันลอจิกต่ำหรือได้รับการออกแบบมาสำหรับแหล่งจ่ายไฟ RF ใช้แนวทางดังกล่าวด้วยเหตุผลหลายประการ:

• ขับเคลื่อนประตูเปิดในขณะที่ Vds = 0 V จำกัดกระแสไฟกระชาก
• การขับเคลื่อนเกตที่ 0 V ช่วยลดการสูญเสียการสลับได้อย่างมาก
• การลดกระแสไฟกระชากยังช่วยลดการระเบิดอย่างรุนแรงในสนามแม่เหล็กซึ่งจะมองเห็นได้ว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่หรือนำไฟฟ้าที่ฮาร์มอนิกของความถี่การสลับ
• การลดการสูญเสียจากการเปิดเครื่องและการพุ่งเข้าจะทำให้ส่วนประกอบมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
• การลดการสูญเสียการสลับที่ความถี่สูงจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานโดยรวม

โทโพโลยีที่นำมาใช้งานนี้ ได้แก่ ตัวแปลงเรโซแนนซ์/เรโซแนนซ์เสมือน ตัวแปลงหลายเฟส (บัค บูสต์ หรือ บัค-บูสต์) และโทโพโลยีแบบบริดจ์

โดยหลักการแล้ว มีข้อกำหนดสองประการในการนำ ZVS มาใช้ ได้แก่:

• อนุญาตให้ไดรเวอร์เกตวัดแรงดันไฟฟ้าโดยตรงและเริ่มการสลับ กล่าวคือ เป็นส่วนหนึ่งของวงจรควบคุมภายใน
• การใช้ประโยชน์จากพลังงานที่เก็บไว้ในความจุปรสิตหรือภายนอกซึ่งบังคับให้ MOSFET Vds เป็น 0 V ผ่านการสั่นพ้องแบบเรโซแนนซ์

รูปภาพด้านล่างแสดงตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าที่ทำเครื่องหมายไว้ที่ MOSFET ด้านสูงและด้านต่ำในตัวแปลงบัคแบบซิงโครนัส

ในวงจรง่ายๆ นี้ ZVS จะทำงานโดยการสลับเกต MOSFET ด้านสูงและด้านต่ำ เมื่อ V(ds) = 0 แรงดัน V(off) คือค่า V(ds) ของ MOSFET เมื่อ MOSFET แต่ละตัวถูกปิด เมื่อค่า V(ds) ของสถานะปิดเป็น 0 V วงจรขับเกตสามารถสลับ MOSFET ไปที่สถานะเปิดได้

ในการออกแบบเหล่านี้ ไดรฟ์เกตต้องทำงานหลายอย่าง ซึ่งรวมถึงการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าต่างๆ การใช้แรงดันอ้างอิงภายในที่เสถียรเพื่อเปรียบเทียบ และการสร้างสัญญาณ PWM ที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเกต MOSFET วงจรไดรฟ์เกตอาจใช้ช่วงเวลาตายตัว (dead time) ในบางโทโพโลยี เช่น ในโทโพโลยีตัวแปลง DC/DC แบบพุช-พูล เพื่อลดค่าการถ่ายเทประจุ (shot-through) ซึ่งจะขยายช่วงค่ารอบการทำงานที่มีอยู่ให้สูงขึ้น

อะไรขับเคลื่อน MOSFET ไปสู่สภาวะ 0 V?

MOSFET ในตัวแปลงสวิตชิ่งถูกขับเคลื่อนจนเป็นศูนย์โดยค่าเหนี่ยวนำปรสิตและค่าความจุเอาต์พุตของ MOSFET (Coss) ซึ่งสร้างวงจรเรโซแนนซ์ที่สามารถกำหนดเวลาเหตุการณ์สวิตชิ่งได้อย่างรอบคอบ หากพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงสามารถคายประจุ Coss ได้หมดภายในเวลาตายตัวของวงจร แสดงว่าคุณได้บรรลุ ZVS แล้ว ไม่จำเป็นต้องใช้วงจร LC เรโซแนนซ์แบบแยกส่วน

ยกตัวอย่างเช่น โทโพโลยีแบบฮาร์ดสวิตช์สามารถใช้ ZVS ได้โดยการใช้ประโยชน์จากค่าเหนี่ยวนำและความจุแบบปรสิต ในขณะที่โทโพโลยีแบบแยกส่วนสามารถใช้พลังงานที่เก็บไว้ในค่าเหนี่ยวนำรั่วไหลของหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งจะคายประจุ Coss ของ MOSFET อีกตัวอย่างหนึ่ง ตัวแปลงเรโซแนนซ์ (เช่น LLC เรโซแนนซ์) สามารถบรรลุ ZVS ได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากได้นำเงื่อนไขเรโซแนนซ์มาใช้ในขั้นตอนการสวิตชิ่งแล้ว

การใช้งานการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์

วงจร ZVS แบบง่าย ๆ สามารถนำไปใช้งานได้โดยใช้เครื่องกำเนิดพัลส์แบบเร็ว ตัวตั้งเวลาหน่วงเวลา และตัวเปรียบเทียบแบบอนาล็อก เป้าหมายคือการเปิดหรือปิดเกตให้เร็วพอที่ตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้จนถึง 0 โวลต์ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวเปรียบเทียบแบบเร็วและลอจิกแบบเร็ว ซึ่งโดยทั่วไปจะนำไปใช้งานได้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กและตัวเปรียบเทียบแบบแยกส่วน

แนวทางหนึ่งสำหรับการนำระบบขับเคลื่อนเกตแบบกะทัดรัดพร้อม ZVS มาใช้คือการใช้โปรเซสเซอร์แบบสัญญาณผสม ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถใช้ตัวเปรียบเทียบในตัวเพื่อตรวจสอบแรงดันและกระแสไฟฟ้า รวมถึงกำหนดเงื่อนไขเชิงตรรกะสำหรับค่าเหล่านี้เพื่อการตรวจจับข้อผิดพลาด ซึ่งสามารถทำได้แม้ใช้ส่วนประกอบจำนวนน้อย

สำหรับ MOSFET (หรืออาร์เรย์ขนาน) ที่มีขนาดใหญ่กว่าทางกายภาพ ซึ่งจะใช้กับตัวแปลง DC/DC ที่มีกำลังไฟฟ้าสูงกว่า ไดรเวอร์พัลส์ในโทโพโลยี ZVS แบบง่ายนี้จะต้องจ่ายกระแสมากขึ้นเพื่อเปิด MOSFET ให้มีระยะเวลาเพิ่มขึ้นที่สั้นลง ซึ่งอาจต้องใช้ MOSFET ขนาดเล็กกว่าเป็นแหล่งจ่ายกระแสที่ไม่มีการควบคุม ซึ่งอาจต้องมีตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อควบคุมระยะเวลาเพิ่มขึ้นของ MOSFET ที่สูงขึ้น วงจรเพิ่มเติมที่มักจำเป็นต้องใช้ ได้แก่สนับเบอร์/แคลมป์ RCDเพื่อแก้ปัญหาการสั่นที่เกิดจากความเหนี่ยวนำที่มากเกินไปตามเส้นทางกระแสเอาต์พุต