反激式電源中MOSFET的鉗位電路詳解

反激式電源中MOSFET的鉗位電路

導(dǎo)讀

輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電源成本較低，使用一個(gè)控制器就能提供多路輸出跟蹤，因此受到設(shè)計(jì)師們的青睞，且已成為元件數(shù)少的AC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。不過，反激式電源的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)初級(jí)開關(guān)元件產(chǎn)生高應(yīng)力。

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，是在電源導(dǎo)通期間將能量?jī)?chǔ)存在變壓器中，在關(guān)斷期間再將這些能量傳遞到輸出。反激式變壓器由一個(gè)磁芯上的兩個(gè)或多個(gè)耦合繞組構(gòu)成，激磁能量在被傳遞到次級(jí)之前，一直儲(chǔ)存在磁芯的串聯(lián)氣隙間。實(shí)際上，繞組之間的耦合從不會(huì)達(dá)到完美匹配，并且不是所有的能量都通過該氣隙進(jìn)行傳遞。少量的能源儲(chǔ)存在繞組內(nèi)和繞組之間，這部分能量被稱為變壓器漏感。開關(guān)斷開后，漏感能量不會(huì)傳遞到次級(jí)，而是在變壓器初級(jí)繞組和開關(guān)之間產(chǎn)生高壓尖峰。此外，還會(huì)在斷開的開關(guān)和初級(jí)繞組的等效電容與變壓器的漏感之間，產(chǎn)生高頻振鈴(圖1)。

圖1：漏感產(chǎn)生的漏極節(jié)點(diǎn)開關(guān)瞬態(tài)

如果該尖峰的峰值電壓超過開關(guān)元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會(huì)導(dǎo)致破壞性故障。此外，漏極節(jié)點(diǎn)的高幅振鈴還會(huì)產(chǎn)生大量EMI。對(duì)于輸出功率在約2W以上的電源來說，可以使用鉗位電路來安全耗散漏感能量，達(dá)到控制MOSFET電壓尖峰的目的。

1 鉗位的工作原理

鉗位電路用于將MOSFET上的最大電壓控制到特定值，一旦MOSFET電壓達(dá)到閾值，所有額外的漏感能量都會(huì)轉(zhuǎn)移到鉗位電路，或者先儲(chǔ)存起來慢慢耗散，或者重新送回主電路。鉗位的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)耗散功率并降低效率，因此，有許多不同類型的鉗位電路可供選擇(圖2)。有多種鉗位使用齊納二極管來降低功耗，但它們會(huì)在齊納二極管快速導(dǎo)通時(shí)增加EMI的產(chǎn)生量。RCD鉗位能夠很好地平衡效率、EMI產(chǎn)生量和成本，因此最為常用。

圖2：不同類型的鉗位電路

2 鉗位

RCD鉗位的工作原理為：MOSFET關(guān)斷后，次級(jí)二極管立即保持反向偏置，勵(lì)磁電流對(duì)漏極電容充電(圖3a)。當(dāng)初級(jí)繞組電壓達(dá)到由變壓器匝數(shù)所定義的反射輸出電壓(VOR)時(shí)，次級(jí)二極管關(guān)斷，勵(lì)磁能量傳遞到次級(jí)。漏感能量繼續(xù)對(duì)變壓器和漏極電容充電，直到初級(jí)繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

圖3：RCD鉗位電路的初級(jí)側(cè)鉗位

3 Vc=鉗位電壓

此時(shí)，阻斷二極管導(dǎo)通，漏感能量被轉(zhuǎn)移到鉗位電容(圖4a)。經(jīng)由電容吸收的充電電流將漏極節(jié)點(diǎn)峰值電壓鉗位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉(zhuǎn)移后，阻斷二極管關(guān)斷，鉗位電容放電到鉗位電阻，直到下一個(gè)周期開始(圖4b)。通常會(huì)添加一個(gè)小電阻與阻斷二極管串聯(lián)，以衰減在充電周期結(jié)束時(shí)變壓器電感和鉗位電容之間產(chǎn)生的任何振蕩。這一完整周期會(huì)在鉗位電路中造成電壓紋波(稱為VDELTA)，紋波幅度通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容和電阻的大小來控制(圖5)。

圖4：RCD鉗位的工作原理

4 鉗位電阻消耗漏感能量

RCDZ鉗位與RCD鉗位的工作原理相同，不同點(diǎn)在于它通過齊納二極管與電阻串聯(lián)來分擔(dān)耗散(圖2)。齊納二極管可防止電容放電至齊納二極管阻斷電壓以下，這樣可限制功率耗散并提升效率，特別是在輕載時(shí)非常有用。ZD鉗位對(duì)由齊納二極管的阻斷電壓指定的MOSFET電壓提供硬鉗位。RCD+Z鉗位與RCD鉗位的工作方式相同，所添加的齊納二極管對(duì)瞬態(tài)條件下的MOSFET電壓提供硬鉗位，并且前者在正常工作條件下的EMI生成特性，也與RCD鉗位相同。

圖5：RCD鉗位電壓的基準(zhǔn)測(cè)量

鉗位設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮變壓器和MOSFET的特性。如果最低鉗位電壓低于變壓器的VOR，鉗位將充當(dāng)一個(gè)負(fù)載，耗散的不僅僅是漏感能量。如果鉗位元件過小，它們可能變得過熱，無法預(yù)防危險(xiǎn)的電壓，并會(huì)產(chǎn)生不必要的EMI。最為重要的是，鉗位必須對(duì)各種電源輸入電壓、負(fù)載電流和元件容差條件下的MOSFET提供保護(hù)。

5 確定RCD鉗位的大小

這里介紹了設(shè)計(jì)RCD鉗位時(shí)需要遵循的步驟摘要。

1．測(cè)量變壓器的初級(jí)漏感LL。

2．檢查您的設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率fs。

3．確定正確的初級(jí)電流IP，方法如下：如果設(shè)計(jì)采用功率限制設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；如果設(shè)計(jì)采用外部流限設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；對(duì)于所有其他設(shè)計(jì)，IP=IILIMITMAX。

4．確定初級(jí)MOSFET所允許的總電壓，并根據(jù)以下公式計(jì)算Vmaxclamp。

建議至少應(yīng)維持低于MOSFET的BVDSS 50V的電壓裕量，并另外留出30V到50V的電壓裕量，以滿足瞬態(tài)電壓要求。

5．確定鉗位電路的電壓紋波VDELTA。

6．根據(jù)以下公式計(jì)算鉗位電路的最小電壓。

7．根據(jù)以下公式計(jì)算鉗位電路的平均電壓Vclamp。

8．根據(jù)以下公式計(jì)算漏感中儲(chǔ)存的能量。

9．根據(jù)以下公式估算鉗位中的能量耗散Eclamp。

10．根據(jù)以下公式計(jì)算鉗位電阻值。

11．鉗位電阻的功率額定值應(yīng)大于

12．根據(jù)以下公式計(jì)算鉗位電容值。

13．鉗位電容的電壓額定值應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

14．應(yīng)使用快速或超快恢復(fù)二極管，將其用作鉗位電路中的阻斷二極管。

15．阻斷二極管的峰值反向電壓應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

16．阻斷二極管的正向反復(fù)峰值電流額定值應(yīng)大于IP；如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供該參數(shù)，則平均正向電流額定值應(yīng)大于：0.5*IP。

17．根據(jù)以下公式確定阻尼電阻的大小(如使用)。

18．阻尼電阻的功率額定值應(yīng)大于

完成初始設(shè)計(jì)后，應(yīng)制作一個(gè)原型來檢驗(yàn)電源性能，因?yàn)樽儔浩髀└袝?huì)因繞組技術(shù)的不同而有極大差異。特別是，應(yīng)當(dāng)測(cè)量平均電壓Vclamp，并將之與步驟7中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(圖5)。如有任何差異，可通過調(diào)整Rclamp值來糾正。如果測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相差懸殊，則必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其他鉗位類型及其每個(gè)額外元件大小的確定步驟都是一樣的。在選擇二極管和齊納穩(wěn)壓管時(shí)必須特別注意，以確保不會(huì)超過它們的功率額定值。在要求使用齊納穩(wěn)壓功能的大部分設(shè)計(jì)中，應(yīng)使用瞬態(tài)電壓抑制器來提供所需的瞬時(shí)峰值額定功率。

應(yīng)在電源滿載及最低輸入電壓條件下測(cè)量元件體的溫度，檢驗(yàn)其功率額定值是否正確。如有元件的工作溫度超出制造商的建議溫度限值，應(yīng)重新調(diào)整其大小，并根據(jù)原型結(jié)果仔細(xì)設(shè)計(jì)。