如何在反激式轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)過程中有效消除MOSFET的過應(yīng)力

本應(yīng)用筆記主要從三個(gè)方面探討“如何在反激式轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)過程中有效消除 MOSFET 的過應(yīng)力”：第一，具有立锜專有嵌入式軟啟動(dòng)功能的反激式控制器設(shè)計(jì)；其次，系統(tǒng)反饋穩(wěn)定性與開關(guān)MOSFET應(yīng)力的關(guān)系；最后，對(duì)無源電壓鉗位RCD緩沖器進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。在開發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)，研發(fā)工程師可以參考這篇筆記，了解如何降低開關(guān) MOSFET 的應(yīng)力以防止它們被損壞，以及提高電路運(yùn)行的可靠性。

一、簡(jiǎn)介

與線性電源相比，開關(guān)電源因其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。反激變換器是開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，最適用于以下電源系統(tǒng)：由于其獨(dú)特的原副邊隔離、電路架構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少、成本低等特點(diǎn)，均在150W以下。

由于開關(guān)功率MOSFET在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中發(fā)揮著非常重要的作用，如何有效消除反激轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)過程中MOSFET的過應(yīng)力將是本應(yīng)用筆記要討論的重點(diǎn)。要研究的三個(gè)主要方面是反激控制器設(shè)計(jì)、反饋穩(wěn)定性和緩沖器設(shè)計(jì)。

2. 反激式控制器設(shè)計(jì)——立锜專有的嵌入式軟啟動(dòng)功能

圖 1 是典型反激式轉(zhuǎn)換器的電路圖。以立锜 RT7736——SmartJitter PWM 反激控制器為例。RT7736 數(shù)據(jù)表中的功能框圖如圖 2 所示。當(dāng) VDD 上升并超過控制器 IC RT7736 的閾值電壓 （V TH_ON ） 時(shí)，控制器將開始工作，軟啟動(dòng) （SS） 功能將立即激活。

內(nèi)置在控制器 IC 中的振蕩器產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘來設(shè)置 SR 觸發(fā)器的 S 引腳。電流檢測(cè)電阻器 （R CS ） 上的電壓 （V CS ） 將與來自恒功率模塊的反饋電壓 （V COMP ） 和電流限制信號(hào) （V CS_CL ） 之間的較低值進(jìn)行比較。如果 V CS超過它們之間的較低值，PWM 比較器輸出將復(fù)位 SR 觸發(fā)器，然后確定 V GATE的脈沖寬度。

圖 1. 典型反激式轉(zhuǎn)換器的電路圖

圖 2. RT7736 功能框圖

反激控制器 IC 通過 GATE 引腳控制反激轉(zhuǎn)換器的開關(guān)晶體管（例如：MOSFET）。當(dāng)開關(guān) MOSFET 導(dǎo)通或關(guān)閉時(shí)，輸入電壓完全跨過變壓器（耦合電感），因此電感電流線性增加，因此存儲(chǔ)在電感中的能量逐漸增加。另一方面，由于在這個(gè)階段功率二極管是反向偏置的，所以是輸出電容為輸出負(fù)載提供能量。隨著反饋控制信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（V GATE） 可設(shè)置為關(guān)閉開關(guān) MOSFET。一旦MOSFET關(guān)斷，由于電感磁通的連續(xù)性，功率二極管被迫導(dǎo)通，電感電壓將反向感應(yīng)出磁通。電感電流現(xiàn)在流過二極管，并線性減小。該電流將為輸出負(fù)載供電并為輸出電容器充電，直到下一個(gè)周期由控制器 IC 的內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)。反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作將在每個(gè)時(shí)鐘周期以這種模式重復(fù)。圖 3 說明了反激式轉(zhuǎn)換器及其控制器如何在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下運(yùn)行。

當(dāng)開關(guān) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，電流檢測(cè)電阻上的電壓 （V CS ） 的上升斜率 （m R ） 為：

當(dāng)開關(guān) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，電流檢測(cè)電阻上的電壓 （VCS） 的下降斜率 （mF） 為：

其中 V IN是變壓器兩端的輸入電壓；L P 為變壓器一次側(cè)勵(lì)磁電感；V O 為輸出電壓；V F為功率二極管的正向電壓；n 為變壓器的匝數(shù)比；N P為變壓器一次側(cè)線圈匝數(shù)；N S是變壓器的次級(jí)線圈匝數(shù)。

圖 3. 該圖顯示了反激式轉(zhuǎn)換器及其控制器如何在 CCM 中運(yùn)行

反激式轉(zhuǎn)換器剛啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓仍為零，尚未建立。從等式（2）可以看出，電流檢測(cè)電阻電壓（V CS）的下降斜率也接近于零。由于控制器 IC 將打開開關(guān) MOSFET 至少最短導(dǎo)通時(shí)間 （T ON_MIN ），因此 VCS 將保持上升。此后，MOSFET 的峰值電流將隨著每個(gè)周期繼續(xù)增加。在 MOSFET 關(guān)斷的瞬間，累積的峰值電流、變壓器的漏電感和 MOSFET 的寄生電容會(huì)引起高頻振蕩，從而在漏極和源極之間產(chǎn)生巨大的電壓尖峰（V DS） 的 MOSFET。因此，在反激式轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間，在高線路輸入電壓條件下，會(huì)出現(xiàn)開關(guān) MOSFET 的過應(yīng)力問題，如圖 4（a） 所示。此外，當(dāng)反激式轉(zhuǎn)換器的輸出短路后，控制器 IC 會(huì)觸發(fā)自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)，在高線路輸入電壓條件下，MOSFET 的應(yīng)力會(huì)變得更差，如圖 4（b） 所示。

圖 4. 反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān) MOSFET 的應(yīng)力

RT7736-SmartJitter PWM反激控制器內(nèi)置立锜專有的軟啟動(dòng)功能，可有效抑制啟動(dòng)過程中的峰值電流，提高電路運(yùn)行的可靠性，同時(shí)允許開關(guān)功率MOSFET的額定電壓和電流更低。專有的嵌入式軟啟動(dòng)功能將在控制器 IC 開始運(yùn)行時(shí)首先被激活。具有階梯式限流信號(hào)、過流閾值電壓（V CS_SKP）和循環(huán)跳躍模式的特點(diǎn)，可以逐步逐步建立輸出電壓。在軟啟動(dòng)期間，當(dāng)電流檢測(cè)電阻 （V CS ） 上的電壓超過過流閾值電壓 （V CS_SKP），控制器IC將進(jìn)入循環(huán)跳躍模式。由于跳過了周期，這為電感電壓提供了更多時(shí)間來感應(yīng)反向磁通量。因此，可以降低開關(guān)MOSFET的峰值電流，并且下一個(gè)周期的柵極電壓（V GATE）的脈沖寬度可以比最小導(dǎo)通時(shí)間（T ON_MIN）更寬，從而可以更有效地建立輸出電壓。 圖 5 說明了立锜專有的嵌入式軟啟動(dòng)功能是如何工作的。圖 6 顯示了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)與立锜專有的嵌入式軟啟動(dòng)功能——循環(huán)跳躍模式之間的比較。

圖 5 立锜專有的嵌入式軟啟動(dòng)功能示意圖

（a） 傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)功能

（b）RICHTEK 專有軟啟動(dòng)功能 – 循環(huán)跳躍模式

圖 6. 傳統(tǒng)與 RICHTEK 專有軟啟動(dòng)功能

實(shí)驗(yàn)使用相同的反激式轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)，用于測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的應(yīng)力。圖 7 顯示了上電后在同一反激轉(zhuǎn)換器上傳統(tǒng)軟啟動(dòng)功能與立锜專有軟啟動(dòng)功能的比較。上電后立即在具有傳統(tǒng)軟啟動(dòng)功能的系統(tǒng)上看到高壓尖峰。當(dāng)輸出電壓逐漸建立，使電感的勵(lì)磁磁通量與電感電壓感應(yīng)的反向磁通量接近時(shí)，開關(guān)MOSFET的應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)最終輸出電壓完全建立時(shí)，也將達(dá)到開關(guān) MOSFET的最大電壓應(yīng)力 （V DS_MAX ）。

圖 7. MOSFET 啟動(dòng)時(shí)的應(yīng)力－傳統(tǒng)軟啟動(dòng)功能 vs. RICHTEK 專有軟啟動(dòng)功能

實(shí)驗(yàn)使用相同的反激式轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)，用于測(cè)量系統(tǒng)輸出短路時(shí)的應(yīng)力。圖 8 顯示了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)功能與 RICHTEK 專有軟啟動(dòng)功能在輸出短路期間在同一反激轉(zhuǎn)換器上的比較。當(dāng)反激式轉(zhuǎn)換器的輸出短路，然后控制器IC將觸發(fā)自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)時(shí)，在高線路輸入電壓條件下MOSFET的應(yīng)力會(huì)變得更糟。優(yōu)化的立锜專有軟啟動(dòng)功能，帶輸出短路保護(hù)，可有效降低開關(guān)MOSFET的應(yīng)力，使其免受損壞，提高電路運(yùn)行的可靠性。

圖 8. 輸出短路期間 MOSFET 的應(yīng)力 – 傳統(tǒng)軟啟動(dòng)功能與 RICHTEK 專有軟啟動(dòng)功能

3. 反激式轉(zhuǎn)換器——反饋穩(wěn)定性與 MOSFET 應(yīng)力的關(guān)系

在反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，變壓器的匝數(shù)比 （n） 與 MOSFET 的電壓應(yīng)力直接相關(guān)。換言之，最大占空比決定了變壓器的匝數(shù)比，進(jìn)而決定了 MOSFET 的電壓應(yīng)力。

開關(guān) MOSFET 的最大電壓應(yīng)力 （V DS_MAX ） 如下：

其中 V in_max是變壓器兩端的最大輸入電壓；n 為變壓器的匝數(shù)比；V O為輸出電壓；V F為功率二極管的正向電壓；V Spike是由變壓器漏感引起的電壓尖峰（后面會(huì)解釋）。

根據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作原理，占空比可以看作是開關(guān) MOSFET 和二極管的導(dǎo)通時(shí)間比。從有效利用半導(dǎo)體的角度來看，任何一個(gè)占空比為一半的條件都可以達(dá)到最高的利用率。換言之，最大占空比 （D max ） 設(shè)置在 0.5 左右，以使 MOSFET 和二極管的利用率最高。因此，占空比通常在最低輸入電壓下設(shè)置為 0.5。然后計(jì)算變壓器的匝數(shù)比（n）并調(diào)整n和D max，基于 MOSFET 和二極管的電壓應(yīng)力裕量。有關(guān)如何確定反激式轉(zhuǎn)換器中變壓器匝數(shù)比的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱“定頻反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)指南”的應(yīng)用筆記。然而，本應(yīng)用筆記將討論經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員忽略的“反激式轉(zhuǎn)換器——反饋穩(wěn)定性和 MOSFET 應(yīng)力之間的關(guān)系”，同時(shí)假設(shè)反激式轉(zhuǎn)換器及其變壓器的匝數(shù)比已經(jīng)過優(yōu)化。

要研究反激式轉(zhuǎn)換器的反饋穩(wěn)定性，必須首先了解反激式轉(zhuǎn)換器現(xiàn)有的 RHP 零。這個(gè)零點(diǎn)不能用常規(guī)極點(diǎn)補(bǔ)償，因此必須將交叉頻率 （f c ） 設(shè)置為遠(yuǎn)低于這個(gè) RHP 零點(diǎn)。實(shí)際上，交叉頻率通常設(shè)置在 3kHz 以下。對(duì)于離線反激式轉(zhuǎn)換器，最合適的是將交叉頻率設(shè)置在 800Hz 至 3kHz 范圍內(nèi)，并且在低線滿負(fù)載條件下，相位裕度 （ψ m ） 》 45°，給定 65kHz 作為開關(guān)頻率。反激式轉(zhuǎn)換器的反饋設(shè)計(jì)請(qǐng)參考應(yīng)用筆記“離線反激式轉(zhuǎn)換器的反饋控制設(shè)計(jì)”。

采用不同的反饋穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)，采用同一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量MOSFET的應(yīng)力，驗(yàn)證理論分析。兩種反饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)，f c 《 800 Hz & ψ m 《 45° vs. fc 》 800 Hz & ψ m》 45°，檢查反饋穩(wěn)定性和 MOSFET 應(yīng)力之間的關(guān)系。圖 9 和 10 分別顯示了在低線和高線條件下，滿載時(shí)環(huán)路增益的交叉頻率和相位裕度的測(cè)量結(jié)果。高線滿載情況下反激式轉(zhuǎn)換器MOSFET的應(yīng)力參考圖11可以看出，交叉頻率越低，相位裕度不足，瞬態(tài)響應(yīng)越慢，導(dǎo)致輸出時(shí)出現(xiàn)過沖電壓已建立。從等式（4）可以看出，輸出電壓的過沖會(huì)增加開關(guān)MOSFET的應(yīng)力。因此，通過精心設(shè)計(jì)交叉頻率和相位裕度，實(shí)現(xiàn)更好的反饋穩(wěn)定性補(bǔ)償，

圖 9. 低線路和滿載條件下環(huán)路增益的交叉頻率和相位裕度

圖 10. 高線路和滿載下環(huán)路增益的交叉頻率和相位裕度

圖 11. 反激式轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 在高線路和滿負(fù)載下的應(yīng)力

4. 無源電壓鉗位 RCD 緩沖器的分析與設(shè)計(jì)

由于存在變壓器的漏電感和反激式轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 的寄生電容，圖 12 描繪了反激式轉(zhuǎn)換器的等效電路模型以及這些元件。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷或開路時(shí)，由于電感的磁通量必須是連續(xù)的，而儲(chǔ)存在漏電感中的磁通量不能轉(zhuǎn)移到副邊，漏電感電流立即被切斷，從而產(chǎn)生高壓尖峰跨過MOSFET的漏極和源極（V DS）。變壓器漏電感和 MOSFET 寄生電容引起的諧振觸發(fā)高頻振蕩，如圖 13 所示。圖 13（a） 顯示了反激式轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下，圖 13 （b） 在不連續(xù)傳導(dǎo)模式 （DCM） 下。

由變壓器漏電感和 MOSFET 寄生電容引起的諧振觸發(fā)的高頻振蕩疊加在 MOSFET 的漏源電壓 （V DS ） 上。疊加電壓尖峰 （V DS_Peak ） 如下：

其中 i DS_Peak是從變壓器初級(jí)側(cè)通過 MOSFET 的峰值電流；L LK為變壓器原邊等效漏感；C P為變壓器原邊等效寄生電容；C OSS為 MOSFET 寄生輸出電容；V in是變壓器兩端的輸入電壓；n 為變壓器的匝數(shù)比；V O為輸出電壓；V F是功率二極管的正向電壓。

圖 12. 反激式轉(zhuǎn)換器和等效電路模型

圖 13. 波形顯示了由反激式轉(zhuǎn)換器元件的寄生漏電感和電容引起的諧振

由元件的寄生電感和電容引起的電壓尖峰以及由此產(chǎn)生的高頻振蕩會(huì)對(duì)開關(guān)MOSFET造成很大的應(yīng)力甚至損壞。高頻振蕩也可能對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生EMI噪聲，從而導(dǎo)致電路的可靠性問題?？梢蕴砑舆m當(dāng)?shù)?Snubber 來抑制這種高頻振蕩，從而有效解決上述問題。

本應(yīng)用筆記介紹了一種無源電壓鉗位 RCD 緩沖器，它現(xiàn)在廣泛用于反激式轉(zhuǎn)換器，如圖 14 所示。當(dāng)開關(guān) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，電感的磁通量必須是連續(xù)的，因此變壓器的漏電感電流繼續(xù)沿原來的方向流動(dòng)。但是，該電流將流入兩條路徑；一條路徑 （i DS ） 通過逐漸關(guān)斷的 MOSFET，另一條路徑 （i Sn ） 通過緩沖器的二極管為電容器 （C Sn ） 充電。由于 C Sn上的電壓不能突然變化，則 MOSFET 電壓的上升速度會(huì)降低。此外，MOSFET 的原始關(guān)斷功耗現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到緩沖器。圖 15 顯示了無源電壓鉗位 RCD 緩沖器在非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 下工作時(shí)的電壓和電流波形。

圖 14. 添加了無源電壓鉗位 RCD 緩沖電路的反激式轉(zhuǎn)換器

圖 15. 無源電壓鉗位 RCD 緩沖器 （DCM） 的電壓和電流波形

MOSFET 關(guān)閉的瞬間，緩沖器的二極管打開。變壓器漏感電流的上升斜率（m i_Sn）如下：

其中 i Sn是通過緩沖器二極管的電流。

緩沖器二極管的導(dǎo)通時(shí)間（t Sn）如下：

根據(jù)不同的操作模式，反激式轉(zhuǎn)換器的峰值電流 （i DS_Peak ） 可以區(qū)分為：

開關(guān) MOSFET 在斷續(xù)導(dǎo)通模式下的峰值電流 （i DS_Peak_DCM ） 如下：

開關(guān) MOSFET 在連續(xù)導(dǎo)通模式 （i DS_Peak_CCM ） 下工作的峰值電流如下：

其中 P in是反激式轉(zhuǎn)換器的輸入功率。

緩沖器的功耗 （P Sn ） 如下：

其中電容電壓（V Sn）通常設(shè)置為n×（V O + V F）的2~2.5倍。

將式（10）代入電力公式，可以得到緩沖器的電阻值（R Sn ）：

緩沖器的電容器（C Sn ）的電壓紋波（ΔV Sn ）通常設(shè)置為電容器電壓（V Sn）的5~10%。根據(jù)伏秒平衡原理，可以推導(dǎo)出緩沖器的電容值（C Sn ），如下所示：

最大漏源電壓（V DS） 反激式轉(zhuǎn)換器中的開關(guān) MOSFET 通常發(fā)生在系統(tǒng)在最高輸入電壓和滿負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)。因此，在反激式轉(zhuǎn)換器的無源電壓鉗位 RCD 緩沖器設(shè)計(jì)中，可以將其作為設(shè)計(jì)條件來確定電容和電阻值。至于緩沖器中的二極管，快速二極管是典型的選擇。圖 16 顯示了在使用和不使用無源電壓鉗位 RCD 緩沖器的情況下，相同反激式轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)的開關(guān) MOSFET 上的應(yīng)力比較。優(yōu)化的無源電壓鉗位 RCD 緩沖器可有效降低 MOSFET 的應(yīng)力，防止損壞，提高電路運(yùn)行的可靠性，同時(shí)改善高頻振蕩引起的 EMI 問題。

圖 16. MOSFET 的應(yīng)力比較，有與沒有無源電壓鉗位 RCD 緩沖器

5. 結(jié)論

功率 MOSFET，開關(guān)元件，在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中發(fā)揮著重要作用。反激變換器具有原副邊隔離、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少、成本低等特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。反激式轉(zhuǎn)換器中 MOSFET 的最大應(yīng)力不一定會(huì)出現(xiàn)在滿負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)。相反，需要仔細(xì)檢查反激式轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)時(shí)間。本應(yīng)用筆記提供理論解釋，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，并從多個(gè)不同方面全面研究“如何有效消除反激轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間 MOSFET 的過應(yīng)力”：它們來自系統(tǒng)的核心 -反激式控制器 IC 的軟啟動(dòng)功能，系統(tǒng)級(jí)——電源系統(tǒng)的反饋穩(wěn)定性補(bǔ)償，最后到附加的應(yīng)用電路——無源電壓鉗位RCD緩沖器的分析和設(shè)計(jì)。旨在為研發(fā)工程師在反激式轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中如何降低MOSFET的應(yīng)力以防止損壞和提高電路工作的可靠性提供很好的參考。