在ZVS拓撲中選擇最優(yōu)的死區時(shí)間

　　摘要：通過(guò)本文的分析來(lái)優(yōu)化中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉換器拓撲使用時(shí)的死區時(shí)間，能夠幫助工程師發(fā)現各種器件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，甚至使那些過(guò)時(shí)的設計方案也能達到更好的性能。

　　中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉換器拓撲中被廣泛使用，例如半磚或全橋整流，以及單端升壓或同步降壓穩壓器。橋式整流可以是硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)，但目前的大多數轉換器使用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，避免導通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。功率部分是一樣的，只是需要對器件開(kāi)啟和關(guān)閉的次序進(jìn)行調整。在寬輸入電壓DC-DC磚式轉換器里，同步降壓轉換器一般用于前端預穩壓，在ZVS模式中還用來(lái)開(kāi)關(guān)低邊MOSFET。硬開(kāi)關(guān)的橋式整流和升壓轉換器對死區時(shí)間沒(méi)有嚴格的要求，所有的軟開(kāi)關(guān)ZVS橋式和同步降壓轉換器都必須在類(lèi)似的限制條件下工作。在低壓同步降壓轉換器中，在低邊和高邊MOSFET之間轉換的死區時(shí)間由控制器或驅動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化。還需要通過(guò)檢測柵極驅動(dòng)的下降沿或開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓，對器件采取防止共通的措施。此外，還有一些更加復雜的技術(shù)，設法能夠連續地對延遲進(jìn)行最優(yōu)的調整。

　　然而，像這樣的精細調節對較高電壓的驅動(dòng)器并不實(shí)用，設計者必須回過(guò)頭來(lái)在轉換過(guò)程中采用固定的死區時(shí)間。由于長(cháng)死區時(shí)間會(huì )導致體二極管的導通時(shí)間更長(cháng)，進(jìn)而損失效率，人們總是期望有一種辦法，在不進(jìn)入共通保護的條件下，能夠提供優(yōu)化的最小死區時(shí)間。這要求對整個(gè)轉換過(guò)程有深入細致的了解，根據MOSFET和電路的參數，計算不同的時(shí)間間隔。當可以實(shí)現最優(yōu)延遲，而且根據以往經(jīng)驗，這個(gè)條件是常常能夠達到的，這時(shí)有必要對變化過(guò)程進(jìn)行分析，選擇能實(shí)現最高效率的合適器件。為說(shuō)明這個(gè)分析過(guò)程，在本文中我們將使用一個(gè)軟開(kāi)關(guān)全橋整流，每個(gè)橋臂的滿(mǎn)占空比為50%。這個(gè)拓撲也被稱(chēng)為直流變壓器，在48V直流輸入、非穩壓中間總線(xiàn)轉換器(IBC)輸出的產(chǎn)品中用得比較普遍。在這里討論的概念和參數折中也可以擴展到很多其他ZVS拓撲。

　　轉換過(guò)程

　　首先，軟開(kāi)關(guān)全橋整流的開(kāi)關(guān)順序有幾種不同方式，每種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺陷。一個(gè)特別的順序是，每個(gè)轉換過(guò)程都是從關(guān)閉高邊MOSFET開(kāi)始，如圖1所示。在轉換過(guò)程中，流經(jīng)不同器件的電流流向如圖2a到圖2e所示。開(kāi)始階段，Q1和Q4導通，能量輸送到負載(圖2a)。關(guān)閉Q1，開(kāi)始轉換，Q1的電流流向體二極管Q2(圖2b)。間隔的持續時(shí)間是Tdt。

　　當Q完全關(guān)閉，Q2以零過(guò)流的方式導通。然后是很短的一段時(shí)間(TXSR)，在這段時(shí)間里，變壓器的初級側對外短路，生磁電流在低邊MOSFET(圖2c)之間形成回路。在移相橋式轉換器里，通過(guò)改變TXSR來(lái)實(shí)現輸出穩壓，但在直流變壓器，要把TXSR保持在最小值。經(jīng)過(guò)TXSR延遲后，Q4關(guān)閉，生磁電流流向Q3(圖2d)。經(jīng)過(guò)另一段時(shí)間間隔Tdt(圖2e)后，Q3以ZVS方式導通，轉換過(guò)程結束。

　　總轉換時(shí)間的計算公式T_trans = 2×T_dt + T_XSR

　　間隔時(shí)間T_XSR對初級轉換并不重要，理論上這個(gè)時(shí)間可以為零。然而，次級同步整流器要求有一個(gè)最小的間隔時(shí)間。如果輸出整流器被替換成同步MOSFET，其驅動(dòng)信號在T_XSR死區段內必須進(jìn)行切換。不管是自驅動(dòng)還是控制驅動(dòng)的SSR，次級驅動(dòng)脈沖在這兩種情況下都要與初級側相匹配。唯一的區別是，在自驅動(dòng)方案中，T_XSR要更高一些，因為變壓器次級的上升和下降時(shí)間要長(cháng)得多。要考慮的另一個(gè)因素是，從高邊→低邊和從低邊→高邊，轉換過(guò)程是不對稱(chēng)的，因為由集成電路構成的柵極驅動(dòng)在輸入信號的電平轉換過(guò)程中會(huì )增加延遲。這與正常的通過(guò)驅動(dòng)級的傳播延遲不同，是另外加上去的。從高邊向低邊轉換過(guò)程中，電平轉換延遲減少的可用死區時(shí)間甚至更多，但實(shí)際上對低邊向高邊轉換有利，增加了可用的死區時(shí)間。大多數驅動(dòng)會(huì )想辦法把匹配的總延遲限制在幾納秒內，但是要把用T_LSH表示的差值考慮進(jìn)去。