相移零電壓開關(guān)全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器中的MOSFET行為

在過去幾年中，對于具有足夠高效率管理大功率的系統(tǒng)的市場需求推動SMPS設計師開發(fā)出具有低電氣損耗的拓撲。帶PWM相移控制的全橋轉(zhuǎn)換器就是一種很流行的拓撲，它能在大功率時取得很高的效率，并整合了硬開關(guān)技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點。本文的目的是研究MOSFET器件用作零壓開關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)時所受到的潛在電氣應力。

零壓開關(guān)(ZVS)相移轉(zhuǎn)換器被廣泛用于滿足電源應用市場，比如電信電源、主機計算機-服務器以及高功率密度和高效率是必需的任何應用。為了達到這個目標，我們必須最大限度地減小功率損失和電抗值，這可以通過提高轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率來實現(xiàn)。高開關(guān)頻率意味著更多的開關(guān)損失，這與效率目標背道而馳。采用ZVS或零電流開關(guān)(ZCS)轉(zhuǎn)換器的拓撲是可行的解決方案。這種技術(shù)可以保證開關(guān)中的電壓或電流在轉(zhuǎn)換之前是零，特別是ZVS能夠保證開關(guān)器件在導通之前器件上的電壓為零，從而避免開關(guān)電流和電壓的同時疊加引起的任何功率損失。

諸如帶線性控制的恒頻工作、在電源電路中集成雜散元件、低電磁干擾等好處與復雜的相位控制器、整流器上的振鈴和過沖、輕負載時軟開關(guān)的損耗等缺點是背道而馳的。最近，復雜控制器的問題通過引入集成控制器得到了減輕，而精選的開關(guān)也為輕負載條件提供了解決方案。轉(zhuǎn)換器中使用的MOSFET的一些電氣特性可以幫助系統(tǒng)降低故障風險。本文將介紹風險最有可能發(fā)生的操作順序。

零壓開關(guān)拓撲描述

相移轉(zhuǎn)換器的基本電路由4個開關(guān)組成：每條“腿”兩個。根據(jù)工作模式，一條腿上的開關(guān)轉(zhuǎn)換總是在另一條腿之前發(fā)生。第一條腿通常被命名為“前腿”，另一條腿被命名為“后腿”。在圖1中，前腿由開關(guān)Q1和Q2組成，后腿由Q3和Q4組成。

圖1：相移零電壓開關(guān)全橋電路。

對功率的控制是通過設置兩個相位之間的轉(zhuǎn)移時間實現(xiàn)的，具體地說，短時間用于提供大功率，長時間用于提供小功率。這種技術(shù)允許控制電源相位。

圖2：交換順序。

研究圖2所示的信號順序就很容易理解Q3和Q4位置的器件在另外兩個器件完成轉(zhuǎn)換之后才改變它們的狀態(tài)。換句話說，“前腿”中的器件Q3和Q4從通到斷或從斷到通的轉(zhuǎn)換要先于器件Q1和Q2完成?；谶@樣的開關(guān)順序，“前腿”中的器件將處于“后腿”看不見的自由相位狀態(tài)。表1對這個開關(guān)順序進行了總結(jié)。

表1：開關(guān)順序總結(jié)。

這種控制技術(shù)可以減少開關(guān)損耗，因為整個工作過程是有管理的，只有當器件上的電壓為零時才會發(fā)生從斷到通的轉(zhuǎn)換。圖3顯示了相移(P-S)零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器上的典型波形。

圖3：P-S ZVS FB DC/DC轉(zhuǎn)換器中的典型波形。

正如圖3中強調(diào)的那樣，如果重點關(guān)注Q4信號特別是它的電流，我們可以發(fā)現(xiàn)它由兩部分組成。在第一部分中，從源極到漏極流經(jīng)器件的電流被溝道和體二極管共享;在第二部分中，電流只在MOSFET溝道中從漏極流到源極。變壓器上的電壓一旦改變極性，電流就會發(fā)生反向。發(fā)揮這個順序的優(yōu)勢，后腿器件Q2在這個相位期間進行開關(guān)，當其電壓等于零時開始導通，從而實現(xiàn)ZVS轉(zhuǎn)換。

必須特別注意Q4器件中的電流。當它的電流反向時，所施加的電壓是低電壓。由于電流由兩部分組成，消除體二極管中的少數(shù)載流子的持續(xù)時間(trr)與典型測試相比是較短的。集中的少數(shù)載流子主要鏈接到重組期間?；谶@個理由，通常針對這種拓撲推薦使用具有快速恢復時間的器件。下一節(jié)介紹由于這方面的原因可能引起的故障風險。

開關(guān)器件的故障風險

正如前文所述，在ZVS轉(zhuǎn)換期間，MOSFET Q4的內(nèi)部體二極管參與到了工作中，其導通時間被負載電平所固定。為了調(diào)節(jié)發(fā)送的功率，兩腿之間的轉(zhuǎn)移時間是可變的，因此體二極管導通時間將從大功率時的短時間改變到輕負載時的短時間。

圖4：重負載時的典型波形。

圖5：輕負載時的典型波形。

如果我們比較這兩種情況可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在圖5所示的輕負載情況下，重組可用的時間要比圖4所示情況短，甚至可能小于完成整個操作所需的時間。對這一瞬間重點觀察可以發(fā)現(xiàn)，輕負載條件代表了針對這類風險最重要的工作條件。

從圖6可以看到，紅色虛線顯示的是不同的恢復時間，并因為使用不適當?shù)钠骷е碌臐撛陲L險。三條不同的線模擬了三種不同的恢復時間。其中兩條線代表安全的情況，第三條線是可能發(fā)生故障的情況。在最后一種情況中，可用時間不足以完全恢復MOSFET中的少數(shù)載流子。

圖6：前腿器件中的典型波形。

為了減少由于這種電氣應力造成的故障風險，需要選用具有低trr和Qrr參數(shù)的MOSFET器件。有多種硅片技術(shù)可以用來解決ZVS拓撲中發(fā)生的上述故障模式，而且也有多款MOSFET器件具有快速反向恢復時間和較好的dv/dt耐用性，非常適合較高頻率的ZVS全橋應用。這種選擇通常也被SMPS制造商用來提高他們系統(tǒng)的可靠性。

圖6顯示了位于“前腿”的器件上的電流波形。相同的分析也可以應用于“后腿”器件。至于“前腿”中的器件，“后腿”器件中的導通相位包括了它們內(nèi)部體二極管的恢復操作。在這種情況下，如果所選的器件與“前腿”相同，那么就看不出什么問題(圖7)，因為與前一種情況相比此時有更多的時間用于恢復相位。

圖7：后腿器件上的典型波形。

本文小結(jié)

本文介紹了MOSFET器件用于相移ZVS轉(zhuǎn)換器時可能產(chǎn)生的潛在風險。通過分析這種特定拓撲的轉(zhuǎn)換順序，文章著重強調(diào)了可能發(fā)生故障處的關(guān)鍵工作，并且指出拓撲中的位置對電氣應力更加敏感。由于工作順序的原因，將該拓撲分成標記為“前腿”和“后腿”的兩個部分。文章對MOSFET的一些電氣特性進行了研究，并形成了器件選擇依據(jù)。器件必須考慮“前腿”要求的trr和Qrr約束條件。正確的選擇可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障風險，進而獲得堅實耐用的設計。