開(kāi)關(guān)電源|MOS管的關(guān)斷緩沖電路詳解-KIA MOS管

MOS管的關(guān)斷緩沖電路

在帶變壓器的開(kāi)關(guān)電源拓撲中，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓和電流的重疊引起的損耗是開(kāi)關(guān)電源損耗的主要部分，同時(shí)，由于電路中存在雜散電感和雜散電容，在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電路中也會(huì )出現過(guò)電壓并且產(chǎn)生振蕩。

如果尖峰電壓過(guò)高，就會(huì )損壞開(kāi)關(guān)管。同時(shí)，振蕩的存在也會(huì )使輸出紋波增大。為了降低關(guān)斷損耗和尖峰電壓，需要在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)緩沖電路以改善電路的性能。

緩沖電路的主要作用有：一是減少導通或關(guān)斷損耗；二是降低電壓或電流尖峰；三是降低dV／dt或dI／dt。由于MOSFET管的電流下降速度很快，所以它的關(guān)斷損耗很小。

雖然MOS管依然使用關(guān)斷緩沖電路，但它的作用不是減少關(guān)斷損耗，而是降低變壓器漏感尖峰電壓。本文主要針對MOS管的關(guān)斷緩沖電路來(lái)進(jìn)行討論。

RC緩沖電路設計

在設計RC緩沖電路時(shí)，必須熟悉主電路所采用的拓撲結構情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。

圖中，當Q關(guān)斷時(shí)，集電極電壓開(kāi)始上升到2Vdc，而電容C限制了集電極電壓的上升速度，同時(shí)減小了上升電壓和下降電流的重疊，從而減低了開(kāi)關(guān)管Q的損耗。而在下次開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前，C必須將已經(jīng)充滿(mǎn)的電壓2Vdc放完，放電路徑為C、Q、R。

假設開(kāi)關(guān)管沒(méi)帶緩沖電路，圖1所示的正激變換器的復位繞組和初級繞組匝數相同。這樣，當Q關(guān)斷瞬間，儲存在勵磁電感和漏感中的能量釋放，初級繞組兩端電壓極性反向，正激變換器的開(kāi)關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。

同時(shí)，勵磁電流經(jīng)二極管D流向復位繞組，最后減小到零，此時(shí)Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開(kāi)關(guān)管集電極電流和電壓波形。

可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)管不帶緩沖電路時(shí)，在Q關(guān)斷時(shí)，其兩端的漏感電壓尖峰很大，產(chǎn)生的關(guān)斷損耗也很大，嚴重時(shí)很可能會(huì )燒壞開(kāi)關(guān)管，因此，必須給開(kāi)關(guān)管加上緩沖電路。

當開(kāi)關(guān)管帶緩沖電路時(shí)，其集電極電壓和電流波形如圖3所示(以正激變換器為例)。

在圖1中，當Q開(kāi)始關(guān)斷時(shí)，其電流開(kāi)始下降，而變壓器漏感會(huì )阻止這個(gè)電流的減小。一部分電流將繼續通過(guò)將要關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管，另一部分則經(jīng)RC緩沖電路并對電容C充電，電阻R的大小與充電電流有關(guān)。

Ic的一部分流進(jìn)電容C，可減緩集電極電壓的上升。通過(guò)選取足夠大的C，可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分，從而顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗，同時(shí)還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。

圖3中的A-C階段為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷階段，C-D為開(kāi)關(guān)管導通階段。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前，電容C兩端電壓為零。在關(guān)斷時(shí)刻(B時(shí)刻)，C會(huì )減緩集電極電壓的上升速度，但同時(shí)也被充電到2Vdc(在忽略該時(shí)刻的漏感尖峰電壓的情況下)。

電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度，而且決定了電阻R上的能量損耗。在Q關(guān)斷瞬間，C上的電壓為2Vdc，它儲存的能量為0．5C(2Vdc)2焦耳。如果該能量全部消耗在R上，則每周期內消耗在R上的能量為：

對限制集電極上升電壓來(lái)說(shuō)，C應該越大越好；但從系統效率出發(fā)，C越大，損耗越大，效率越低。因此，必須選擇合適的C，使其既能達到一定的減緩集電極上升電壓速度的作用，又不至于使系統損耗過(guò)大而使效率過(guò)低。

在圖3中，由于在下一個(gè)關(guān)斷開(kāi)始時(shí)刻(D時(shí)刻)必須保證C兩端沒(méi)有電壓，所以，在B時(shí)刻到D時(shí)刻之間的某時(shí)間段內，C必須放電。

實(shí)際上，電容C在C-D這段時(shí)間內，也可以通過(guò)電阻R經(jīng)Q和R構成的放電回路進(jìn)行放電。因此，在選擇了一個(gè)足夠大的C后，R應使C在最小導通時(shí)間ton內放電至所充電荷的5％以下，這樣則有：

式(1)表明R上的能量損耗是和C成正比的，因而必須選擇合適的C，這樣，如何選擇C就成了設計RC緩沖電路的關(guān)鍵，下面介紹一種比較實(shí)用的選擇電容C的方法。

事實(shí)上，當Q開(kāi)始關(guān)斷時(shí)，假設最初的峰值電流Ip的一半流過(guò)C，另一半仍然流過(guò)逐漸關(guān)斷的Q集電極，同時(shí)假設變壓器中的漏感保持總電流仍然為Ip。

那么，通過(guò)選擇合適的電容C，以使開(kāi)關(guān)管集電極電壓在時(shí)間tf內上升到2Vdc(其中tf為集電極電流從初始值下降到零的時(shí)間，可以從開(kāi)關(guān)管數據手冊上查詢(xún))，則有：

因此，從式(1)和式(3)便能計算出電容C的大小。在確定了C后，而最小導通時(shí)間已知，這樣，通過(guò)式(2)就可以得到電阻R的大小。

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