移相ZVS變換器使用MOSFET器件的潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

在過(guò)去的幾年中，對(duì)具有足夠效率來(lái)管理大功率的系統(tǒng)的市場(chǎng)需求促使開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)具有低電損耗的拓?fù)?。帶PWM相移控制全橋變換器是一種非常流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它能在大功率下實(shí)現(xiàn)高效率，并融合了硬開(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(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)時(shí)所受到的潛在電氣應(yīng)力。

零壓開(kāi)關(guān)（ZVS）相移轉(zhuǎn)換器被廣泛用于滿足電源應(yīng)用市場(chǎng)，比如電信電源、主機(jī)計(jì)算機(jī)-服務(wù)器以及高功率密度和高效率是必需的任何應(yīng)用。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，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(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。高開(kāi)關(guān)頻率意味著更多的開(kāi)關(guān)損失，這與效率目標(biāo)背道而馳。采用ZVS或零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）轉(zhuǎn)換器的拓?fù)涫强尚械慕鉀Q方案。這種技術(shù)可以保證開(kāi)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(kāi)關(guān)器件在導(dǎo)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(fù)雜的相位控制器、整流器上的振鈴和過(guò)沖、輕負(fù)載時(shí)軟開(kāi)關(guān)的損耗等缺點(diǎn)是背道而馳的。最近，復(fù)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(fù)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(fēng)險(xiǎn)。本文將介紹風(fēng)險(xiǎn)最有可能發(fā)生的操作順序。

零壓開(kāi)關(guān)拓?fù)涿枋?/p>

相移轉(zhuǎn)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(jù)工作模式，一條腿上的開(kāi)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(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(duì)功率的控制是通過(guò)設(shè)置兩個(gè)相位之間的轉(zhuǎn)移時(shí)間實(shí)現(xiàn)的，具體地說(shuō)，短時(shí)間用于提供大功率，長(zhǎng)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(hào)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(zhuǎn)換之后才改變它們的狀態(tài)。換句話說(shuō)，“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(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(duì)這個(gè)開(kāi)關(guān)順序進(jìn)行了總結(jié)。

表1：開(kāi)關(guān)順序總結(jié)。

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

圖3：P-SZVSFBDC/DC轉(zhuǎn)換器中的典型波形。

正如圖3中強(qiáng)調(diào)的那樣，如果重點(diǎn)關(guān)注Q4信號(hào)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(huì)發(fā)生反向。發(fā)揮這個(gè)順序的優(yōu)勢(shì)，后腿器件Q2在這個(gè)相位期間進(jìn)行開(kāi)關(guān)，當(dāng)其電壓等于零時(shí)開(kāi)始導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)ZVS轉(zhuǎn)換。

必須特別注意Q4器件中的電流。當(dāng)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(shù)載流子的持續(xù)時(shí)間（trr）與典型測(cè)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。基于這個(gè)理由，通常針對(duì)這種拓?fù)?a target="_blank">推薦使用具有快速恢復(fù)時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)關(guān)器件的故障風(fēng)險(xiǎn)

正如前文所述，在ZVS轉(zhuǎn)換期間，MOSFETQ4的內(nèi)部體二極管參與到了工作中，其導(dǎo)通時(shí)間被負(fù)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(shí)間是可變的，因此體二極管導(dǎo)通時(shí)間將從大功率時(shí)的短時(shí)間改變到輕負(fù)載時(shí)的短時(shí)間。

圖4：重負(fù)載時(shí)的典型波形。

圖5：輕負(fù)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(xiàn)，在圖5所示的輕負(fù)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(duì)這一瞬間重點(diǎn)觀察可以發(fā)現(xiàn)，輕負(fù)載條件代表了針對(duì)這類風(fēng)險(xiǎn)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(fù)時(shí)間，并因?yàn)槭褂貌贿m當(dāng)?shù)钠骷?dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)。三條不同的線模擬了三種不同的恢復(fù)時(shí)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(shí)間不足以完全恢復(fù)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(yīng)力造成的故障風(fēng)險(xiǎn)，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(lái)解決ZVS拓?fù)渲邪l(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(fù)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(yīng)用。這種選擇通常也被SMPS制造商用來(lái)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(yīng)用于“后腿”器件。至于“前腿”中的器件，“后腿”器件中的導(dǎo)通相位包括了它們內(nèi)部體二極管的恢復(fù)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?yàn)榕c前一種情況相比此時(shí)有更多的時(shí)間用于恢復(fù)相位。

圖7：后腿器件上的典型波形。

本文小結(jié)

本文介紹了移相ZVS變換器中使用的MOSFET器件的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析這種特定拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換順序，文章強(qiáng)調(diào)了可能發(fā)生故障時(shí)的關(guān)鍵工作，指出拓?fù)渲械奈恢脤?duì)電氣應(yīng)力更為敏感。根據(jù)工作順序，將該拓?fù)浞殖蓸?biāo)記為“前腿”和“后腿”的兩個(gè)部分。本文對(duì)MOSFET的一些電學(xué)特性進(jìn)行研究，并形成了器件選擇依據(jù)。該器件必須考慮“前腿”所需的trr和Qrr約束。正確的選擇可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，從而獲得堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)。