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作者： Antonino Gaito. 意法半導體意大利卡塔尼亞公司 功率晶體管產(chǎn)品部 高級應用工程師 Alfio Scuto 意法半導體意大利卡塔尼亞公司 功率晶體管產(chǎn)品部 高級應用工程師 摘要 – 近幾年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)對高能效、大功率系統的需求不斷提高，在此拉動(dòng)下，設計人員轉向尋找電能損耗更低的轉換器拓撲。PWM移相控制全橋轉換器就是其中一個(gè)深受歡迎的軟硬結合的開(kāi)關(guān)電源拓撲，能夠在大功率條件下達取得高能效。本文旨在于探討MOSFET開(kāi)關(guān)管在零壓開(kāi)關(guān)(ZVS)轉換器內的工作特性。 1. 前言 零壓開(kāi)關(guān)移相轉換器的市場(chǎng)定位包括電信設備電源、大型計算機或服務(wù)器以及其它的要求功率密度和能效兼備的電子設備。要想實(shí)現這個(gè)目標，就必須最大限度降低功率損耗和無(wú)功功率，通過(guò)提高轉換器的開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)可行的辦法，但是高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗上升，這與提高能效的目標背道而馳。有效的解決辦法是采用零壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)轉換器拓撲，這種方法確保開(kāi)關(guān)管在狀態(tài)轉換前是零電壓或零電流，特別值得一提地是，零壓開(kāi)關(guān)方法可保證開(kāi)關(guān)管在導通前管兩端為零電壓，從而消除了開(kāi)關(guān)電流和電壓波形重疊導致的功率損耗問(wèn)題。過(guò)零開(kāi)關(guān)方法有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，線(xiàn)性控制恒頻工作、在功率電路內整合雜散電容或電阻、低EMI電磁干擾，但是缺點(diǎn)也不少，例如，移相控制器設計復雜、整流管振蕩頻率和過(guò)沖現象、輕載條件下的軟開(kāi)關(guān)損耗。最近，集成化控制器的上市降低了移相控制器設計的復雜程度，同時(shí)選擇專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)管可以解決輕載開(kāi)關(guān)功耗問(wèn)題。MOSFET的某些電特性有助于系統降低故障概率。本文介紹故障概率最高的開(kāi)關(guān)順序。 2. 零壓開(kāi)關(guān)拓撲介紹 基本移相轉換電路是由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，每個(gè)橋臂有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。因為工作模式的原因，兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管不會(huì )同時(shí)改變狀態(tài)，總是一個(gè)橋臂比另一個(gè)橋臂先改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)。第一個(gè)改變狀態(tài)的通常被稱(chēng)作“超前橋臂”，而另一個(gè)被稱(chēng)作“滯后橋臂”。如圖1所示，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2表示“超前橋臂”，開(kāi)關(guān)管Q3和Q4表示“滯后橋臂”。 
圖1：移相零壓開(kāi)關(guān)全橋電路 通過(guò)設定相移時(shí)間，可以控制輸出功率。具體地講，輸出功率大，相移時(shí)間設定長(cháng)短一些；輸出功率小，相移時(shí)間設定長(cháng)一些，這種方法可以控制開(kāi)關(guān)階段。
圖2.換向順序 觀(guān)察圖2所示的信號順序，不難理解Q3和Q4開(kāi)關(guān)管是在另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)操作完全結束后才進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。換句話(huà)說(shuō)，“超前橋臂”開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的導通或關(guān)斷動(dòng)作總是在“滯后橋臂”開(kāi)關(guān)管Q3和Q4之前發(fā)生。因為開(kāi)關(guān)順序的原因，“超前橋臂”開(kāi)關(guān)管必須經(jīng)歷續流階段，而“滯后橋臂”開(kāi)關(guān)管沒(méi)發(fā)現有這個(gè)過(guò)程。下表是開(kāi)關(guān)順序表。 表1.
因為只有當開(kāi)關(guān)管兩端電壓為零時(shí)才導通，所以這種控制方法可以降低開(kāi)關(guān)損耗。圖3所示是一個(gè)典型的移相(P-S)零壓開(kāi)關(guān)轉換器的電流和電壓波形。
圖3.移相ZVS FB 直流-直流轉換器典型波形 觀(guān)察圖3高亮部分，不難發(fā)現Q4電流信號是由兩部分組成。第一部分電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管源極至漏極間的溝道和體效應二極管，而第二部分電流只流經(jīng)MOSFET漏極至源極間的內部溝道。變壓器電壓極性一變，電流方向就立即反轉。滯后橋臂開(kāi)關(guān)管Q2（請查原文確認是否有筆誤）利用這個(gè)開(kāi)關(guān)順序，過(guò)零時(shí)改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當兩端電壓為零時(shí)開(kāi)始導通，實(shí)現零壓開(kāi)關(guān)操作。注意Q4開(kāi)關(guān)管的信號，特別是電流信號，當電流改變方向時(shí)，電壓降低。因為電流是由兩部分組成，所以去除體效應二極管內少數載流子所用的時(shí)間(trr)比典型測試時(shí)間短。少數載流子的濃度主要與重組的壽命相關(guān)。因此，推薦該拓撲使用反向恢復速度快的開(kāi)關(guān)管。下面我們探討這個(gè)問(wèn)題引起的潛在故障。 3. 開(kāi)關(guān)管的潛在故障 如前述，在零壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換過(guò)程中，MOSFET開(kāi)關(guān)管Q4的內部體二極管參與開(kāi)關(guān)操作，導通時(shí)間由負載大小來(lái)確定。為了調整輸出電流，兩個(gè)橋臂之間的移相時(shí)間是可變的，因此，體效應二極管導通時(shí)間從大功率時(shí)短時(shí)間變?yōu)檩p載短時(shí)間。
圖4.重載時(shí)的典型波形
圖5.輕載時(shí)的典型波形 讓我們比較一下這兩種情況，圖5輕載條件少數載流子重組可用時(shí)間比圖4重載重組可用時(shí)間少，可能比完成整個(gè)操作所需的時(shí)間還要短。仔細觀(guān)察這個(gè)例子，我們發(fā)現輕載是發(fā)生這種風(fēng)險的最關(guān)鍵的條件。 如圖6所示，紅虛線(xiàn)代表不同的恢復時(shí)間，表示當沒(méi)有使用適合的器件時(shí)可能發(fā)生故障的情況。我們用三條不同的線(xiàn)模擬三個(gè)不同的恢復時(shí)間，其中兩條線(xiàn)代表安全情況，而第三條則代表可能發(fā)生故障的情況。在最后一個(gè)情況中，恢復時(shí)間不足以讓MOSFET內部的少數載流子完全恢復。
圖6.超前開(kāi)關(guān)管上的典型波形 為降低這種電應力導致的故障風(fēng)險，應選擇trr和 Qrr兩個(gè)參數較小的MOSFET開(kāi)關(guān)管。我們在前面介紹了幾種解決ZVS拓撲的故障模式的半導體技術(shù)，目前有多款反向恢復時(shí)間短且dv/dt耐受性強的MOSFET，適合更高頻率的ZVS全橋應用。這些方法還能讓開(kāi)關(guān)電源廠(chǎng)商提高電源系統的可靠性。圖6所示是超前橋臂的開(kāi)關(guān)管的電流波形。我們還可以對滯后橋臂開(kāi)關(guān)做類(lèi)似的分析。不同于超前橋臂的開(kāi)關(guān)管，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的導通階段包含內部體效應二極管的反向恢復操作。在這種情況下，如果選用與超前橋臂相同的開(kāi)關(guān)管，就不會(huì )出現問(wèn)題（圖7），因為滯后橋臂開(kāi)關(guān)管有更多的時(shí)間用于反反向恢復。
圖7.滯后開(kāi)關(guān)管上的典型波形 4. 結論 本文探討了MOSFET晶體管在移相零壓開(kāi)關(guān)轉換器內的潛在故障風(fēng)險。通過(guò)分析這個(gè)特定拓撲的開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換順序，本文重點(diǎn)分析了故障可能發(fā)生的關(guān)鍵工作條件，以及在這個(gè)拓撲內對電應力最敏感的位置。按照開(kāi)關(guān)順序將這個(gè)拓撲分為“超前橋臂”和“滯后橋臂”兩部分，本文探討了MOSFET晶體管的某些電特性，還提出了一個(gè)產(chǎn)品選型思路。在選型的時(shí)候，必須考慮超前橋臂對trr和Qrr限制要求。選擇正確的開(kāi)關(guān)管可以提高系統可靠性，降低開(kāi)關(guān)管失效可概率，取得穩健可靠的設計。 1 STMicroelectronics AN2626, “MOSFET body diode recovery mechanism in a phase-shifted ZVS full bridge DC/DC converter.” 2 Alexander Fiel and Thomas Wu, International Rectifier Applications Department, El Segundo, CA 90245, USA, “MOSFET Failure Modes in the Zero-Voltage-Switched Full-Bridge Switching Mode Power Supply Applications.” 3 Sampat Shekhawat, Mark Rinehimer and Bob Brockway, Discrete Power Group, Fairchild Semiconductor, AN-7536, “FCS Fast Body Diode MOSFET for Phase-Shifted ZVS PWM Full Bridge DC/DC Converter.” |
