An intuitive explanation of ZVS, ZCS and pseudo ZVS

Summary

Dans cette présentation, l'auteur, Saakov, explique de manière intuitive les concepts de commutation à zéro voltage (ZVS) et à zéro courant (ZCS), ainsi que la commutation à faible tension (LDO). Il illustre les notions de commutation difficile et de commutation douce, recommandant une extinction rapide et une allumage lent pour minimiser les pertes. Saakov utilise des simulations LTspice pour montrer ces concepts dans différents types de convertisseurs, y compris les convertisseurs résonants, les convertisseurs de type flyback et les convertisseurs de type LLC. Il décrit également la manière dont la commutation à zéro voltage peut être obtenue en modifiant la direction du courant à un moment critique, ce qui permet d'éviter la commutation difficile. Cette présentation est un guide utile pour comprendre les principes de base de l'efficacité énergétique dans les convertisseurs de tension.

Takeaways

• 🔌 L'explication intuitive de la commutation à zéro voltage et de la commutation à zéro courant est présentée dans la présentation.
• 📈 La commutation rapide (turn off) et l'allumage lent (turn on) sont recommandés pour minimiser les pertes d'énergie.
• 💡 La commutation à zéro voltage réduit les pertes grâce à une faible superposition entre le courant et la tension.
• 🚫 La commutation difficile (hard switching) est le pire scénario où le transistor est allumé contre un diode conducteur.
• 🔍 L'effet de l'inductance parasitaire est mentionné comme un facteur influençant la commutation.
• 🔁 La commutation à zéro voltage est obtenue grâce à une auto-commutation lorsque le courant change de direction.
• 🔄 Le mode de fonctionnement limite de courant (borderline current mode) permet d'atteindre la commutation à zéro voltage dans les convertisseurs CCM.
• 📉 En dessous de la fréquence de résonance, la commutation est difficile car le courant est toujours passant par le diode.
• ⚙️ Dans les convertisseurs résonants comme l'LLC, la fréquence de fonctionnement affecte le type de commutation (zéro voltage ou zéro courant).
• 🔽 La commutation dans les convertisseurs Flyback est influencée par la capacité de sortie et l'inductance du bobinage couplé.
• 🎯 La commutation à zéro voltage oscillante (valley zero voltage switching) nécessite un contrôleur synchronisé pour minimiser les pertes d'énergie.

Q & A

Qu'est-ce que le commutation à zéro voltage (ZVS) et comment fonctionne-t-elle?

La commutation à zéro voltage est une technique qui permet de minimiser les pertes d'énergie dans les convertisseurs électriques en effectuant la commutation du transistor lorsque la tension est nulle. Cela se produit lorsque la courant passe par la diode et que la tension sur le transistor est déjà à zéro, ce qui réduit l'overlap entre le courant et la tension et, par conséquent, les pertes.

Quelle est la différence entre le commutation à zéro voltage et le commutation à zéro courant (ZCS)?

Le commutation à zéro voltage (ZVS) se produit lorsque la tension est nulle pendant la commutation, tandis que le commutation à zéro courant (ZCS) se produit lorsque le courant est nul. Dans le cas de la ZCS, cela peut être observé dans les convertisseurs résonants où la fréquence est légèrement en dessous de la fréquence de résonance, ce qui signifie que le courant est toujours positif pendant la commutation.

Pourquoi est-il recommandé d'avoir une extinction rapide et une allumage lent pour les transistors dans les convertisseurs électriques?

Une extinction rapide permet de minimiser l'overlap entre le courant et la tension, réduisant ainsi les pertes d'énergie. Un allumage lent permet de gérer le courant de manière plus contrôlée et évite les surtensions qui pourraient endommager le transistor.

Comment la commutation à zéro voltage est-elle implémentée dans les convertisseurs résonants?

Dans les convertisseurs résonants, comme l'LLC, la commutation à zéro voltage est obtenue en opérant à une fréquence légèrement au-dessus de la fréquence de résonance. Lorsque le transistor est allumé, le courant est négatif et la diode est conductrice, ce qui permet au transistor d'être allumé à zéro voltage.

Quelle est la différence entre le fonctionnement d'un convertisseur boost et un convertisseur buck en termes de direction du courant?

Dans un convertisseur boost, le courant sort du transistor et passe par la diode du côté bas, tandis qu'un convertisseur buck permet le courant à entrer à travers les transistors et la diode du côté haut. Cela affecte la manière dont les composants gèrent le flux de courant.

Comment l'inductance parasitaire peut-elle affecter le processus de commutation des transistors?

L'inductance parasitaire peut causer des courants de courte durée et des surtensions lorsqu'un transistor s'allume ou s'éteint. Cela peut augmenter les pertes d'énergie et endommager les composants si non géré correctement.

Quels sont les avantages de la commutation à zéro voltage dans les convertisseurs de courant continu (CCM) et de mode de courant limité (BCM)?

La commutation à zéro voltage dans les CCM et BCM permet de minimiser les pertes en réduisant l'overlap entre le courant et la tension. Cela peut être obtenu en changeant la direction du courant à un moment critique pour permettre au transistor d'être allumé sous zéro voltage au lieu de commutation dure.

Comment la commutation à zéro voltage est-elle affectée par la capacité de sortie du transistor dans un convertisseur de type flyback?

Dans un convertisseur de type flyback, la capacité de sortie du transistor peut entraîner des pertes significatives lors de l'allumage du transistor, car l'énergie stockée dans la capacité est libérée soudainement, ce qui peut causer des surcourants et des pertes d'énergie. La commutation à zéro voltage peut être utilisée pour minimiser ces pertes en synchronisant l'allumage du transistor avec les oscillations de la tension de la borne de drain.

Quelle est la signification de la fréquence de résonance dans un convertisseur résonnant LLC?

La fréquence de résonance dans un convertisseur résonnant LLC est la fréquence à laquelle les éléments inductifs et capacitifs du circuit se balancent pour créer un point de résonance. Opérer au-dessus de cette fréquence permet de réaliser la commutation à zéro voltage, tandis qu'opérer en dessous entraîne une commutation à zéro courant.

Comment la commutation à zéro voltage peut-elle être améliorée dans les convertisseurs de type flyback?

La commutation à zéro voltage dans les convertisseurs de type flyback peut être améliorée en utilisant la commutation à zéro voltage valée (VZVS), où la tension de la borne de drain oscille après l'extinction du transistor. Un contrôleur capable de synchroniser avec ce point peut allumer le transistor à un moment où la tension est plus faible, réduisant ainsi les pertes d'énergie.

Quels sont les défis associés à l'utilisation de la commutation à zéro voltage dans les convertisseurs électriques?

Les défis associés à l'utilisation de la commutation à zéro voltage incluent la nécessité d'un contrôleur capable de synchroniser avec les oscillations de tension et de gérer les variations de fréquence qui peuvent survenir. De plus, il faut gérer les effets de l'inductance parasitaire et de la capacité de sortie du transistor pour minimiser les pertes d'énergie.

Comment la commutation à zéro voltage peut-elle être utilisée pour améliorer l'efficacité des convertisseurs électriques?

La commutation à zéro voltage peut être utilisée pour améliier l'efficacité des convertisseurs électriques en réduisant les pertes d'énergie lors de la commutation des transistors. Cela est particulièrement important dans les applications où la conversion de puissance est fréquente et où les pertes peuvent s'accumuler et réduire la durée de vie des composants.

Outlines

00:00

😀 Introduction à la commutation sans tension et sans courant

Dans le premier paragraphe, Saakov introduit la présentation en expliquant les concepts de commutation sans tension (ZVS) et de commutation sans courant (ZCS), ainsi que la commutation de Théodore (Theo). Il explique que la présentation traitera de la commutation difficile (hard switching) et de la commutation douce (soft switching), et montrera comment ces concepts sont appliqués dans les convertisseurs de tension, y compris les convertisseurs résonants et les convertisseurs de type flyback. L'explication est basée sur des simulations effectuées avec LT Spy.

05:01

😉 Commutation douce et dure dans les convertisseurs de tension

Le deuxième paragraphe se concentre sur la différence entre la commutation douce et la commutation dure. Saakov décrit le fonctionnement d'un pont demi-conducteur, qui représente la plupart des convertisseurs de tension PWM. Il illustre le phénomène de commutation douce lorsque le transistor est coupé avec un diode en parallèle, et la commutation dure lorsqu'il est allumé contre un diode conducteur. Il explique également l'importance d'une extinction rapide du transistor pour minimiser la perte d'énergie.

10:01

😎 Commutation sans tension et son application dans les modes de fonctionnement

Dans le troisième paragraphe, Saakov explique comment la commutation sans tension peut être obtenue en changeant la direction du courant critiquement au moment de la commutation. Il décrit le fonctionnement du mode de fonctionnement limite de courant (BCM) et comment il permet d'atteindre la commutation sans tension. Il compare également les modes de fonctionnement continu de courant (CCM) et BCM. Saakov aborde également le fonctionnement des convertisseurs résonants, en particulier les LLC, et montre comment la fréquence de fonctionnement par rapport à la fréquence de résonance affecte le type de commutation (ZVS ou ZCS).

15:01

🤓 Commutation sans courant et optimisation de la commutation sans tension

Le quatrième paragraphe traite de la commutation sans courant dans les convertisseurs de type flyback et la manière dont la commutation sans tension peut être optimisée. Saakov explique que la commutation sans courant est obtenue lorsque le courant initial est nul et commence à augmenter lentement à cause de l'inductance. Il souligne également les pertes dues à la capacité de sortie du transistor et comment la fréquence d'opération affecte ces pertes. Il mentionne également la technique de commutation sans tension oscillante (valy point), qui permet de réduire les pertes d'énergie en synchronisant le contrôleur avec le point d'oscillation de la tension de drain.

Keywords

💡Zero Voltage Switching (ZVS)

Le Zero Voltage Switching (ZVS) est une technique qui permet de réduire les pertes d'énergie dans les convertisseurs électriques en assurant que le transistor est allumé ou éteint à un moment où la tension est nulle. Cela est illustré dans le script par l'exemple où le transistor est allumé après que le courant ait été transféré au diode, ce qui permet de minimiser la perte d'énergie. C'est un concept clé pour comprendre la façon de réduire les pertes lors de l'allumage ou de l'extinction des transistors dans les convertisseurs.

💡Hard Switching

Le Hard Switching est le cas où un transistor est allumé ou éteint à un moment où la tension n'est pas nulle, ce qui peut entraîner des pertes d'énergie importantes. Dans le script, il est décrit comme le pire scénario où le transistor est allumé contre un diode conductrice, ce qui peut causer un court-circuit et des pertes significatives.

💡Soft Switching

Le Soft Switching est une méthode qui vise à minimiser les pertes d'énergie en utilisant des techniques comme le ZVS ou le Zero Current Switching (ZCS). Dans le script, il est mentionné que Soft Switching est possible lorsque le diode est conducteur et que le transistor est allumé sur la tension du diode, ce qui permet d'allumer le transistor sous ZVS.

💡Resonant Converters

Les convertisseurs résonants sont des dispositifs électriques qui utilisent la résonance pour optimiser les performances de conversion de tension et de courant. Dans le script, ils sont mentionnés comme des dispositifs où le ZVS peut être observé lorsque le courant est négatif pendant le temps de commutation, ce qui est contraire au Hard Switching où le courant est positif.

💡Flyback Converter

Le Flyback Converter est un type de convertisseur de puissance qui utilise un inducteur couplé pour transférer de l'énergie d'un circuit à un autre. Dans le script, il est décrit comme ayant des particularités dans la manière dont le courant est géré, avec un démarrage lente des courants à cause de l'inductance, mais aussi des pertes dues à la capacité de sortie du transistor.

💡Half Bridge

Un Half Bridge est une configuration de convertisseur qui comprend deux transistors et deux diodes, utilisée pour contrôler le flux de courant dans un circuit. Dans le script, il est utilisé comme exemple pour expliquer les directions du courant et les situations où le courant peut sortir ou entrer dans le circuit.

💡Borderline Current Mode (BCM)

Le Borderline Current Mode (BCM) est une méthode de fonctionnement des convertisseurs qui permet d'atteindre le ZVS en changeant la direction du courant à un moment critique. Dans le script, il est expliqué que dans le BCM, le ripple de courant est autorisé à être suffisamment élevé pour permettre un courant inverse, ce qui facilite la commutation du transistor sous ZVS.

💡Continuous Conduction Mode (CCM)

Le Continuous Conduction Mode (CCM) est un mode de fonctionnement des convertisseurs où il y a toujours un flux continu de courant. Dans le script, il est mentionné en opposition avec le BCM, où le CCM ne permet pas de commutation du transistor sous ZVS car le courant est toujours sortant dans un convertisseur boost.

💡Stray Inductance

L'inductance parasite est une inductance non souhaitée qui peut être présente dans les circuits électriques et qui peut affecter les performances du convertisseur. Dans le script, il est mentionné que l'effet de l'inductance parasite sera exploré plus tard, suggérant qu'il a un impact sur la manière dont le courant se comporte lors de l'allumage ou de l'extinction des transistors.

💡Output Capacitance

La capacité de sortie est une capacité qui se trouve à la sortie d'un convertisseur et qui stocke de l'énergie. Dans le script, elle est mentionnée comme une source de pertes lorsqu'un transistor est allumé, car l'énergie stockée dans la capacité est déversée dans le transistor, ce qui cause des pertes d'énergie proportionnelles à la fréquence.

💡Valy Voltage Switching

Le Valy Voltage Switching est une méthode qui permet d'améliorer le ZVS en faisant osciller la tension de la borne de sortie après l'extinction du transistor. Dans le script, il est décrit comme une technique qui nécessite un contrôleur capable de synchroniser avec ce point d'oscillation pour réduire les pertes d'énergie lors de l'allumage du transistor.

Highlights

An intuitive explanation of zero voltage switching and zero current switching.

Demonstration of hard switching, true zero voltage switching, and fast turn off in slow turn on.

Explanation of why fast turn off and slow turn on are recommended for minimizing losses.

Zero voltage switching in resonant converters and its advantages.

Discussion of switching in flyback converters and the impact of output capacitance.

Introduction of the half bridge as a generic case representing most PWM converters.

Explanation of current directions in boost and buck converters.

Importance of minimizing the overlap between current and voltage to reduce losses.

Comparison of hard switching and soft switching scenarios.

Achieving zero voltage switching by momentarily reversing the current direction.

Borderline current mode operation in BCM for achieving zero voltage switching.

Analysis of LLC resonant converters and the impact of operating frequency on switching.

Zero current switching in flyback converters due to slow current ramp up.

Hard switching losses in flyback converters due to output capacitance discharge.

Technique of valley zero voltage switching to reduce energy loss.

Need for a controller that can synchronize to the oscillating drain voltage for valley switching.

Impact of frequency variation due to uncertainty in the actual valley point.

Transcripts

hi I'm saakov this presentation is

entitled an intuitive explanation of

zero voltage switching zero current

switching and theodo zero voltage

switching so in this presentation I'm

going to demonstrate what is hard

switching what is true in Theo zero

voltage switching to explain why a fast

turn off in slow turn on are

recommended show zero voltage switching

in resonant converters talk a little bit

about switching in flyback and all these

will be demonstrated by LT spy

simulation so let me start with sort of

the ground rules here this is a half

Bridge which actually represent the most

if not all pwm converion you can sort of

this is a generic case and what is

important to realize is that we can have

two situation that the current is coming

out or current is coming in this would

be like a boost converter

and if the current is coming out then

the current can pass through a

transistor through the low side

transistor through the low side diode

and not through this diode of course if

the current is coming in then it can go

can go through this uh two transistors

and this upper diod this is is a special

case of course be like a buck with a

diode and in this case of course we have

only the diode that can pass the current

okay so these are just the basics of the

directions of the current so let me

start with something very simple and

this is a true zero voltage switching

now suppose a current is coming out the

transistor is

conducting and then you turn it off when

you turn it off the current will now

pass through the diode the voltage on

the

transistor was Zero now when the D is

contacting it say one volt the

transistor current is going down so we

have a low voltage well we call it zero

and the current is going down so the

overlap between current and voltage is

really SL small and the losses will be

small so this is really a true zero

voltage switching now let's have a look

at the Hard switching this is actually

the worst case that we can have what I'm

showing here is the case that the

current is passing through the

diode this is during the de time and now

we are turning on this transistor now a

diode when conducting will conduct both

ways until they charge car barers in the

junction will sort of move out or

dissipate or be diffused out so as we

turn on this transistor there is a

current here and you might say that

there is a short by the way in this case

I'm putting these inductors to be zero

we'll see what is the effect of this uh

stray of parasitic inductance later on

so as I turn on this transistor and I'm

using say 1 ohm gate res resistor it's

pretty fast so I see here the gate this

is just a zoom on the gate and you see

that we are building up now a very high

current well it's actually it's here uh

480 well it's not realistic as I said

there are some inductances but you can

see that this is really a bad situation

let's have a look now at the case of

turn off so now the current already

moved from the diode to the inductor in

fact this is representing the inductor

and now I'm about to turn it

off and I'm starting with a slow turn

off 20 oh this is vgs this is the

voltage of the gate and I see the the

voltage of the drain drain toour going

up and the current of course going down

and there is a overlap overlap here and

now I've changed it to 1 ohm and 1 ohm

makes the turn off very quickly that if

the current goes down very quickly the

drain goes up rather slowly because

there are some capacitances here that

need to be charged or discharged and

therefore in the case of the turnoff you

like to do it very quickly to minimize

the overlap between the current and the

voltage and here is again a comparison

we have a fast turn off we have a slow

turnoff this is the slow turn off see

quite a bit of uh overlap and here it's

a fast turn off and of course if you

look now at the energy involved you see

that for the slow turn off you have a

lot of losses this is the product of

voltage and current here we see

oscillation this is the product and the

actually the average is very low

although this oscillation also cause

some losses because of the circulating

current but clearly during turn off you

like to have a fast turn off that is a

small resistance and now I'm returning

again to through zero voltage switching

a turn on this time after this

transistor turned turned

off the inductor current is now passing

through the diode because there was a

self commutation here charging

discharging the capacitor and the

voltage dropped and the DI started to

conduct to reduce losses I like to turn

on this transistor again we have a low

voltage here I'm turning on the

transistor and of course the product

will be small because the voltage is

involved is like one volt and we call it

through Zer voltage switching so let me

now go back for a minute to this

situation of turn off of this upper

transistor we like to have a fast turn

off having a small resistance here and

as we have said we are sort of

minimizing the overlap by turning the

current very quickly

off and this is not zero voltage

switching but I call it codo zero

voltage switching because I'm getting

sort of a minimal overlap between these

two because of the very fast turn off of

this uh current so this will be a c zero

voltage switching which is achieved by a

fast turnoff so now let's see what's the

moral of what we have seen we have seen

the following that you have half

switching if you have a transistor which

is is turn on against a conducting D

this is hard switching this is the worst

case you have soft switching if the diod

is conducting and you turn on the

transistor on the voltage of the DI so

if we can change the situation such that

when we want to turn on this

transistor we will

momentarily change the direction of the

current

then we can turn on the transistor under

zero voltage switching so this is

something that we can do we can reverse

the current at a crucial moment when we

want to do the

switching and by that we'll get a

through zero voltage switching rather

than the hard switching so let's see how

we can achieve this in this so-called

borderline current mode case okay here

we have a transistor which is

conducting if we would have turned it

off the diode would be

conducting and then if we'll turn this

one on the upper transistor the high

side will have hard switching if however

I manage to change the direction of this

current at this moment such that the

current will be in this case then there

be a self commutation the diode will be

conducting and the transistor will be

turned on at through Zer volt

switching this can be achieved by the

borderline current mode

operation in the CCM continuous current

mode we have current all the time so the

current is always going out in a back

converter however in the BCM we allow

the Ripple to be high enough

so we have a reverse current

okay so now if I have a reverse current

here and I turn the transistor off there

will be a self commutation and the

current this current will go up and the

diod will conduct and then I can turn it

this high side transistor at zero

voltage switching rather than hard

switching as original will be the case

with the

CCN so this is something we can do we

have a similar situation in a resonant

converter and I'm showing it now on an

LLC this is a generic or average model

or first harmonic representation of an

LLC these are the two inductors here's

the capacitor this represent the

excitation and I'm starting with an AC

analysis is to see the resonant point

this is a as called R AC reflecting the

load side loading the LLC the resonant

tank so running an AC analysis I see for

a given resistance I see here a resonant

point there are frequencies above

resonance there frequencies below

resonance now notice that the face

base of the current this is the current

of the inductor this is this current

which is also the current of the source

this is this current I'm sorry it's not

labeled

correctly and so here we have a legging

current and here we have a leading

current and as we will see in a

minute if we walk here this legging

current is actually causing zero voltage

switching

while this leading current is causing

hard switching or you might say zero

current switching so again I'm now

running side by side the two LLC unit

one is running at the frequency above

resonance so this will be zero voltage

switching and one below

resonant so here it is this is about

above resonance so what we see here is

that during this time the current is

negative while here during the switching

time the current is

positive and here I'm sort of

emphasizing it by these sketches here

this is the case of frequency above

resonance during the switching of this

transistor the current which was going

this way is already going the other way

and therefore the diode will be

conducting and I'm turning it on Zer

voltage switching on the other hand at

frequency below resonance the current is

still passing through the diode so when

I turn on this transistor I'm working

against a conducting

diet so what about flyback now in

flyback situation is a little bit

different we have this coupled inductor

we have leakage and here's the trans

transistor now when I turn this

transistor

on okay I have the inductance which has

no current in it so the current starts

to build up slowly due to the inductance

which is here so the current is going up

here which is fine so this is actually

sort of codo zero current switching well

it's not zero current switching but the

current is zero at the beginning and it

starts to go up because you have a

voltage and then there is inductance so

the IDT is V over L and the current goes

fairly slowly however there is another

issue here and that is hard switching

due to the output capacitance

c as you turn on the transistor the

voltage here is high you dump the energy

of this capacitor into the transistor

and this is losses which are

proportional to the frequency the higher

the frequency the higher with the losses

so this is a significant loss especially

if the voltage will be high okay so what

you'll see that internally you see a

very high current here because you are

shorting this capacitor this current

goes up rather slowly but here

the here the energy is actually dumped

into the transistor now the energy

involved is

v² times the So-Cal energy related

capacitor now this capacitance is

nonlinear you just can just point to one

particular value on the car and see this

is the capacitance you have to to do

some you know some math here in order to

find the so-called energy related

capacitance which is now given actually

in data sheets now you can improve it

but the socalled zero voltage switching

it's called a value zero voltage

switching and the idea is that voltage

of the drain after turn off is not

straight but it's oscillating due to the

capacitance reflected to the primary so

you see a voltage which is oscillating

at the drain now if you have a

controller that that can synchronize to

this valy point the voltage here is

lower and the energy loss is lower so

this is a technique that is really used

today but obviously you need a

controller that can synchronize to this

point and then turn on the transistor at

this point and this will actually cause

a shift in frequency that is the

frequency will not be constant because

you have some uncertainty where the

actual value is so this brings me to the

end of this presentation I hope you

found it of interest and perhaps it will

be useful to you in the future thank you

very much