详解推挽变换器漏感电压尖峰-KIA MOS管

推挽，在国内逆变行业无处没有它的身影，最多的还是车载逆变器。由于其电路简单，功率管数量少，占用PCB空间也少。但其推挽所选功率管需要2倍输入电压特性，在低压大电流点路中再合适不过，也成为逆变电源工程师设计之首选。

正是因为看似简单的一个拓扑，确让很多设计师望而却步，因为推挽有一个最头疼的问题，电压尖峰。

通常推挽拓扑中功率管选用都是MOSFET，而MOSFET失效最多原因往往不是电流而是电压，这正是由于推挽变换器漏感所致。这就迫使设计师不得不降低变压器漏感，选用更高耐压功率管，甚至加入各种吸收电路来满足设计要求，但是却发现都不能从根本上解决问题。

下面研究一下电压尖峰的产生机制

高频变器设计时，总会或多或少存在一定漏感，当其中一只功率管VT1导通时，变压器要向副边传送能量，就会有电流流过变压器绕组Lp1，而变压器漏感可以看作一个独立电感Lm1串联在电路中，在电流流过Lp1时储存能量，并在功率管关断后释放能量，如果Lm1储存的能量在死区时间内没有完全释放，在另一只功率管VT2导通时，这就形成了很高电压尖峰。

大家都知道MOSFET制作工艺时体内有3个电容，输入电容GS,输出电容DS，和反向传输电容DG。这个输出电容Coss对尖峰有一定吸收作用，如果漏感能量足够小，可以得到有效的吸收。如果漏感能量很大，就会在Coss上形成很高电压，损坏MOSFET管。

要想控制推挽拓扑工作在2倍左右输出电压，就要让功率管接近关断时，电流下降接近为0，才能避免尖峰电压的产生，这里就需要用到软开关电路。

但是要做到软开关条件是很苛刻的，一般需要占空比和死区时间恒定时才能达到。那么只有占空比最大时，通过设置好合理的死区时间，可以达到软开关条件。

所以这里就有2大难题需要我们解决：

1：闭环工作时的电压尖峰。（占空比没有达到最大时）

2：开环工作时的电压尖峰。（最大占空比时）

既然我们可以用软开关解决开环工作时MOSFET的电压尖峰，那么我们可以让机器在开机和空载时处于闭环状态，减少待机功耗。带载后工作在开环。因为空载时高频变压器向副边传递的能量只有待机损耗，变压器漏感储存的能量并不大，漏感尖峰在很小范围，这样就能保证MOSFET工作在安全范围。

接下来首先要解决的是软开关。我们先来看看软开关电路结构。

这是一个很常用的谐振电路，Lr为副边谐振电感，Cr为副边谐振电容，通过调节Lr和Cr来调节输出阻抗，使谐振频率等于工作频率，也就是使变换器工作在容性和感性的临界区域，此时副边的工作电流呈正弦。（调节Lr和Cr可以控制副边电流的上升弧度完全正弦，Cr可以起到隔直作用，防止变压器偏磁。）

下面这张波形为变换器工作在满载开环下的波形图。

黄色为副边Lr的电流波形，蓝色为推挽其中一只功率管的VDS电压波形

上图黄色为开关管驱动波形，蓝色为VDS电压波形

不难看出，初级边功率管工作在0电压开关模式下，副边整流二极管工作在0电流开关模式下，由于高频变压器初次级耦合存在漏感，副边整流二极管在电流为0时，初级任然有一定电流流过，当然这个电流很小，这样在功率管关断后，变压器漏感储存的能量能够加速功率管的Coss电容呈线性充电，同时也给另一只功率管创造了0电压导通条件。调节合适死区时间来满足漏感能量给Coss充电过程。就可以实现功率管工作电压在2倍输入电压下。

闭环工作时有2种模式：

1：开机软启动时。

2：空载或者负载很轻时。

下面来看一张开机MOSFET的电压波形

这是输入24V电压下功率MOSFET的电压尖峰，如果选用100VMOSFET，也是是相当危险。

下图为处理后的开机电压尖峰波形，基本上已经控制在2倍输入电压下。

接下来依次讲解处理开机电压尖峰的处理办法。

米勒效应在MOS驱动中臭名昭著，他是由MOS管的米勒电容引发的米勒效应，在MOS管开通过程中，GS电压上升到某一电压值后GS电压有一段稳定值，过后GS电压又开始上升直至完全导通。

为什么会有稳定值这段呢？因为，在MOS开通前，D极电压大于G极电压，MOS寄生电容Cgd储存的电量需要在其导通时注入G极的电荷与其中和，因MOS完全导通后G极电压大于D极电压。米勒效应会严重增加MOS的开通损耗。

所以就出现了所谓的图腾驱动！选择MOS时，Cgd越小开通损耗就越小。米勒效应不可能完全消失。

MOS上的电压尖峰，这个尖峰电压是不是等于输入电压+反射电压+漏感电压

1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

2.感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。

3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。

4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。

软开关是在硬开关电路的基础上，加入电感、电容等谐振器件，在开关转换过程中引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通;或使流过开关器件的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率

QR， 有人叫“类共振”，也叫做“准谐振”。

基本架构还是Flyback，只不过是利用变压器漏感形成类似共振的效果。有共振当然电压波形就会有出现弦波，再利用弦波的波谷段将MOSFET导通，此时在MOSFET D-S 两端的VDS最小，以此达到减少切换损失达成高效率的要求。MOSFET导通时VDS最小，就是导通时的dv/dt最小，EMI特性会大大优化。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区金田路3037号金中环国际商务大厦2109

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助

免责声明：本网站部分文章或图片来源其它出处，如有侵权，请联系删除。