相移零電壓開(kāi)關(guān)全橋DC/DC轉換器中的MOSFET行為

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

零壓開(kāi)關(guān)(ZVS)相移轉換器被廣泛用于滿(mǎn)足電源應用市場(chǎng)，比如電信電源、主機計算機-服務(wù)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(gè)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(guò)提高轉換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現。高開(kāi)關(guān)頻率意味著(zhù)更多的開(kāi)關(guān)損失，這與效率目標背道而馳。采用ZVS或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)轉換器的拓撲是可行的解決方案。這種技術(shù)可以保證開(kāi)關(guān)中的電壓或電流在轉換之前是零，特別是ZVS能夠保證開(kāi)關(guān)器件在導通之前器件上的電壓為零，從而避免開(kāi)關(guān)電流和電壓的同時(shí)疊加引起的任何功率損失。

諸如帶線(xiàn)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(guò)沖、輕負載時(shí)軟開(kāi)關(guān)的損耗等缺點(diǎn)是背道而馳的。最近，復雜控制器的問(wèn)題通過(guò)引入集成控制器得到了減輕，而精選的開(kāi)關(guān)也為輕負載條件提供了解決方案。轉換器中使用的MOSFET的一些電氣特性可以幫助系統降低故障風(fēng)險。本文將介紹風(fēng)險最有可能發(fā)生的操作順序。

零壓開(kāi)關(guān)拓撲描述

相移轉換器的基本電路由4個(gè)開(kāi)關(guān)組成：每條“腿”兩個(gè)。根據工作模式，一條腿上的開(kāi)關(guān)轉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(kāi)關(guān)Q1和Q2組成，后腿由Q3和Q4組成。

圖1：相移零電壓開(kāi)關(guān)全橋電路。

對功率的控制是通過(guò)設置兩個(gè)相位之間的轉移時(shí)間實(shí)現的，具體地說(shuō)，短時(shí)間用于提供大功率，長(cháng)時(shí)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(gè)器件完成轉換之后才改變它們的狀態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，“前腿”中的器件Q3和Q4從通到斷或從斷到通的轉換要先于器件Q1和Q2完成?；谶@樣的開(kāi)關(guān)順序，“前腿”中的器件將處于“后腿”看不見(jiàn)的自由相位狀態(tài)。表1對這個(gè)開(kāi)關(guān)順序進(jìn)行了總結。

表1：開(kāi)關(guān)順序總結。

這種控制技術(shù)可以減少開(kāi)關(guān)損耗，因為整個(gè)工作過(guò)程是有管理的，只有當器件上的電壓為零時(shí)才會(huì )發(fā)生從斷到通的轉換。圖3顯示了相移(P-S)零電壓開(kāi)關(guān)轉換器上的典型波形。

圖3：P-S ZVS FB DC/DC轉換器中的典型波形。

正如圖3中強調的那樣，如果重點(diǎn)關(guān)注Q4信號特別是它的電流，我們可以發(fā)現它由兩部分組成。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(huì )發(fā)生反向。發(fā)揮這個(gè)順序的優(yōu)勢，后腿器件Q2在這個(gè)相位期間進(jìn)行開(kāi)關(guān)，當其電壓等于零時(shí)開(kāi)始導通，從而實(shí)現ZVS轉換。

必須特別注意Q4器件中的電流。當它的電流反向時(shí)，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載流子的持續時(shí)間(trr)與典型測試相比是較短的。集中的少數載流子主要鏈接到重組期間?；谶@個(gè)理由，通常針對這種拓撲推薦使用具有快速恢復時(shí)間的器件。下一節介紹由于這方面的原因可能引起的故障風(fēng)險。

開(kāi)關(guān)器件的故障風(fēng)險

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

圖4：重負載時(shí)的典型波形。

圖5：輕負載時(shí)的典型波形。

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

從圖6可以看到，紅色虛線(xiàn)顯示的是不同的恢復時(shí)間，并因為使用不適當的器件導致的潛在風(fēng)險。三條不同的線(xiàn)模擬了三種不同的恢復時(shí)間。其中兩條線(xiàn)代表安全的情況，第三條線(xiàn)是可能發(fā)生故障的情況。在最后一種情況中，可用時(shí)間不足以完全恢復MOSFET中的少數載流子。

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(fēng)險，需要選用具有低trr和Qrr參數的MOSFET器件。有多種硅片技術(shù)可以用來(lái)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(shí)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(lái)提高他們系統的可靠性。

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(wèn)題(圖7)，因為與前一種情況相比此時(shí)有更多的時(shí)間用于恢復相位。

圖7：后腿器件上的典型波形。

本文小結

本文介紹了MOSFET器件用于相移ZVS轉換器時(shí)可能產(chǎn)生的潛在風(fēng)險。通過(guò)分析這種特定拓撲的轉換順序，文章著(zhù)重強調了可能發(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(gè)部分。文章對MOSFET的一些電氣特性進(jìn)行了研究，并形成了器件選擇依據。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的可靠性，降低故障風(fēng)險，進(jìn)而獲得堅實(shí)耐用的設計。