詳解推挽變換器漏感電壓尖峰-KIA MOS管

推挽，在國內(nèi)逆變行業(yè)無處沒有它的身影，最多的還是車載逆變器。由于其電路簡單，功率管數(shù)量少，占用PCB空間也少。但其推挽所選功率管需要2倍輸入電壓特性，在低壓大電流點(diǎn)路中再合適不過，也成為逆變電源工程師設(shè)計(jì)之首選。

正是因?yàn)榭此坪唵蔚囊粋€(gè)拓?fù)洌_讓很多設(shè)計(jì)師望而卻步，因?yàn)橥仆煊幸粋€(gè)最頭疼的問題，電壓尖峰。

通常推挽拓?fù)渲泄β使苓x用都是MOSFET，而MOSFET失效最多原因往往不是電流而是電壓，這正是由于推挽變換器漏感所致。這就迫使設(shè)計(jì)師不得不降低變壓器漏感，選用更高耐壓功率管，甚至加入各種吸收電路來滿足設(shè)計(jì)要求，但是卻發(fā)現(xiàn)都不能從根本上解決問題。

下面研究一下電壓尖峰的產(chǎn)生機(jī)制

高頻變器設(shè)計(jì)時(shí)，總會或多或少存在一定漏感，當(dāng)其中一只功率管VT1導(dǎo)通時(shí)，變壓器要向副邊傳送能量，就會有電流流過變壓器繞組Lp1，而變壓器漏感可以看作一個(gè)獨(dú)立電感Lm1串聯(lián)在電路中，在電流流過Lp1時(shí)儲存能量，并在功率管關(guān)斷后釋放能量，如果Lm1儲存的能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)沒有完全釋放，在另一只功率管VT2導(dǎo)通時(shí)，這就形成了很高電壓尖峰。

大家都知道MOSFET制作工藝時(shí)體內(nèi)有3個(gè)電容，輸入電容GS,輸出電容DS，和反向傳輸電容DG。這個(gè)輸出電容Coss對尖峰有一定吸收作用，如果漏感能量足夠小，可以得到有效的吸收。如果漏感能量很大，就會在Coss上形成很高電壓，損壞MOSFET管。

要想控制推挽拓?fù)涔ぷ髟?倍左右輸出電壓，就要讓功率管接近關(guān)斷時(shí)，電流下降接近為0，才能避免尖峰電壓的產(chǎn)生，這里就需要用到軟開關(guān)電路。

但是要做到軟開關(guān)條件是很苛刻的，一般需要占空比和死區(qū)時(shí)間恒定時(shí)才能達(dá)到。那么只有占空比最大時(shí)，通過設(shè)置好合理的死區(qū)時(shí)間，可以達(dá)到軟開關(guān)條件。

所以這里就有2大難題需要我們解決：

1：閉環(huán)工作時(shí)的電壓尖峰。（占空比沒有達(dá)到最大時(shí)）

2：開環(huán)工作時(shí)的電壓尖峰。（最大占空比時(shí)）

既然我們可以用軟開關(guān)解決開環(huán)工作時(shí)MOSFET的電壓尖峰，那么我們可以讓機(jī)器在開機(jī)和空載時(shí)處于閉環(huán)狀態(tài)，減少待機(jī)功耗。帶載后工作在開環(huán)。因?yàn)榭蛰d時(shí)高頻變壓器向副邊傳遞的能量只有待機(jī)損耗，變壓器漏感儲存的能量并不大，漏感尖峰在很小范圍，這樣就能保證MOSFET工作在安全范圍。

接下來首先要解決的是軟開關(guān)。我們先來看看軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)。

這是一個(gè)很常用的諧振電路，Lr為副邊諧振電感，Cr為副邊諧振電容，通過調(diào)節(jié)Lr和Cr來調(diào)節(jié)輸出阻抗，使諧振頻率等于工作頻率，也就是使變換器工作在容性和感性的臨界區(qū)域，此時(shí)副邊的工作電流呈正弦。（調(diào)節(jié)Lr和Cr可以控制副邊電流的上升弧度完全正弦，Cr可以起到隔直作用，防止變壓器偏磁。）

下面這張波形為變換器工作在滿載開環(huán)下的波形圖。

黃色為副邊Lr的電流波形，藍(lán)色為推挽其中一只功率管的VDS電壓波形

上圖黃色為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，藍(lán)色為VDS電壓波形

不難看出，初級邊功率管工作在0電壓開關(guān)模式下，副邊整流二極管工作在0電流開關(guān)模式下，由于高頻變壓器初次級耦合存在漏感，副邊整流二極管在電流為0時(shí)，初級任然有一定電流流過，當(dāng)然這個(gè)電流很小，這樣在功率管關(guān)斷后，變壓器漏感儲存的能量能夠加速功率管的Coss電容呈線性充電，同時(shí)也給另一只功率管創(chuàng)造了0電壓導(dǎo)通條件。調(diào)節(jié)合適死區(qū)時(shí)間來滿足漏感能量給Coss充電過程。就可以實(shí)現(xiàn)功率管工作電壓在2倍輸入電壓下。

閉環(huán)工作時(shí)有2種模式：

1：開機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)。

2：空載或者負(fù)載很輕時(shí)。

下面來看一張開機(jī)MOSFET的電壓波形

這是輸入24V電壓下功率MOSFET的電壓尖峰，如果選用100VMOSFET，也是是相當(dāng)危險(xiǎn)。

下圖為處理后的開機(jī)電壓尖峰波形，基本上已經(jīng)控制在2倍輸入電壓下。

接下來依次講解處理開機(jī)電壓尖峰的處理辦法。

米勒效應(yīng)在MOS驅(qū)動(dòng)中臭名昭著，他是由MOS管的米勒電容引發(fā)的米勒效應(yīng)，在MOS管開通過程中，GS電壓上升到某一電壓值后GS電壓有一段穩(wěn)定值，過后GS電壓又開始上升直至完全導(dǎo)通。

為什么會有穩(wěn)定值這段呢？因?yàn)椋贛OS開通前，D極電壓大于G極電壓，MOS寄生電容Cgd儲存的電量需要在其導(dǎo)通時(shí)注入G極的電荷與其中和，因MOS完全導(dǎo)通后G極電壓大于D極電壓。米勒效應(yīng)會嚴(yán)重增加MOS的開通損耗。

所以就出現(xiàn)了所謂的圖騰驅(qū)動(dòng)！選擇MOS時(shí)，Cgd越小開通損耗就越小。米勒效應(yīng)不可能完全消失。

MOS上的電壓尖峰，這個(gè)尖峰電壓是不是等于輸入電壓+反射電壓+漏感電壓

1.開關(guān)損耗大。開通時(shí)，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。

2.感性關(guān)斷電尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓，開關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成器件擊穿。

3.容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí)，儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而引起器件過熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期，開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作，易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對器件的安全運(yùn)行造成危害。

4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁干擾（EMI）增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。

軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上，加入電感、電容等諧振器件，在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中引入諧振過程，開關(guān)在其兩端的電壓為零時(shí)導(dǎo)通;或使流過開關(guān)器件的電流為零時(shí)關(guān)斷，使開關(guān)條件得以改善，降低硬開關(guān)的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，從而提高了電路的效率

QR， 有人叫“類共振”，也叫做“準(zhǔn)諧振”。

基本架構(gòu)還是Flyback，只不過是利用變壓器漏感形成類似共振的效果。有共振當(dāng)然電壓波形就會有出現(xiàn)弦波，再利用弦波的波谷段將MOSFET導(dǎo)通，此時(shí)在MOSFET D-S 兩端的VDS最小，以此達(dá)到減少切換損失達(dá)成高效率的要求。MOSFET導(dǎo)通時(shí)VDS最小，就是導(dǎo)通時(shí)的dv/dt最小，EMI特性會大大優(yōu)化。

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