反激式電源為什么上電最容易燒MOS管？

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟

大家好，這里是大話硬件。
% a8 A/ \9 U. p這篇文章總結(jié)一下最近在研究的反激電源RCD吸收回路和VDS尖峰問題。這也是為什么MOS管在開機(jī)容易被電壓應(yīng)力擊穿的原因。
下圖是反激電源變壓器部分的拓?fù)洹?font class="jammer">% M, {5 _6 p3 g1 S7 S/ `* e( A


在MOS開通時(shí)，VDS上電壓：
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1 L# a# [3 r' m% w! X* k6 m+ q由于Rdson比較小，MOS開通時(shí)，VDS電壓也較小。此時(shí)，MOS漏極電壓應(yīng)力較小。
% U1 y  a3 @- h然而，MOS關(guān)斷時(shí)，此時(shí)漏極會(huì)承受較大電壓應(yīng)力，因此會(huì)在變壓器初級(jí)繞組上增加RCD吸收電路，用來吸收較大尖峰電壓，防止MOS因電壓應(yīng)力出現(xiàn)雪崩擊穿。
于是，在電路中經(jīng)�？吹竭@種方案。當(dāng)然還有多種類型變種，如使用TVS或者穩(wěn)壓管，無論是哪種方案類型，本質(zhì)都是吸收MOSFET關(guān)斷時(shí)尖峰電壓。
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尖峰產(chǎn)生原因主要來自變壓器漏感，而漏感來源有兩種途徑：
（1）來源于變壓器本體，在骨架上繞線時(shí)，繞線疏密程度，分層繞組還是多組并繞制，這些不同的繞制方式，漏感均存在差異；如下圖中紅色和藍(lán)色繞線。
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6 r6 C6 e) b$ }  S: o" V（2）來源于變壓器骨架焊接腳和線圈之間的線纜，變壓器線圈和骨架之間需要浸錫并焊接成型，如果繞線離變壓器骨架管腳較遠(yuǎn)，則有較長(zhǎng)的線纜并未和磁芯耦合。為了減少這部分漏感，貼片比直插就存在明顯的優(yōu)勢(shì)。


以上兩種情況如果變壓器廠家設(shè)計(jì)比較差，則變壓器漏感比較大，那么漏感為什么會(huì)產(chǎn)生尖峰呢？
用下面模型，可以從能量角度理解。

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反激式開關(guān)電源不能用在大功率電源中，主要是變壓器體積和功率限制。在MOS開通時(shí)，變壓器需要存儲(chǔ)能量，在MOS關(guān)斷時(shí)才釋放，因此，能量傳遞到后級(jí)的大小和變壓器緊密相關(guān)。
同時(shí)，由于變壓器是磁芯器件，還存在飽和風(fēng)險(xiǎn)，因此反激變壓器還要考慮變壓器磁芯復(fù)位，占空比不能太大，磁芯要留氣隙，多種因素導(dǎo)致反激不適合用在大功率電源中。
4 O- k0 G( R, W, [. {. ?3 E正是因?yàn)樯厦嬖�理，反激式開關(guān)電源只能在MOSFET關(guān)斷時(shí)傳遞能量，而初級(jí)繞組向次級(jí)傳遞能量主要靠變壓器骨架內(nèi)包裹的磁芯。變壓器存在漏感，這部分漏感不會(huì)和磁芯產(chǎn)生耦合。另外，還有一些磁場(chǎng)并不會(huì)乖乖的通過磁芯向次級(jí)傳遞能量，而是在空氣中形成閉合路徑。
所以，MOSFET關(guān)斷時(shí)，總有一部分能量會(huì)因?yàn)闊o法傳遞而表現(xiàn)出較高電壓來維持開通時(shí)狀態(tài)，這就出現(xiàn)了尖峰電壓。
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即使漏感能量很低，但是dt在ns級(jí)別，因此，還是會(huì)感應(yīng)出較高的電動(dòng)勢(shì)。
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下面詳細(xì)分析RCD電路工作過程。
7 k* g8 W' G+ h3 {# }第一步：上電，此時(shí)芯片還未輸出PWM，C電容充電到Vbus

用下面的反激式電源進(jìn)行仿真驗(yàn)證
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設(shè)定漏感為1uH

上電啟動(dòng)時(shí)探針RCD的波形，從波形可以看出，系統(tǒng)剛上電時(shí)，芯片還未工作，此時(shí)MOSFET沒有動(dòng)作，VC等于輸入電壓60V。理論和實(shí)際相符合。

第二步：芯片達(dá)到工作電壓，開始輸出PWM，開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)變壓器開始電感電流上升，漏感電流也上升，在MOS開通后，Coss電容已經(jīng)放電完成
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% M5 _7 R" \3 c0 z因?yàn)閯偵想奦C電壓已經(jīng)達(dá)到60V，在MOS開通時(shí)，VDS=0V，此時(shí)VC電壓明顯高于VDS，所以此時(shí)二極管反偏截止，Coss通過MOS放電，變壓器初級(jí)繞組和漏感開始積累能量。
第三步：開關(guān)關(guān)閉，漏感中的能量無法傳遞到次級(jí)，漏感會(huì)產(chǎn)生下正上負(fù)的電壓，此時(shí)VDS的電壓開始上升

: |- ?, z( X) H. c3 n. w; k在VDS電壓上升初期，VC的電壓等于Vbus，此時(shí)二極管一直是關(guān)斷的，但是當(dāng)副邊二極管開通后，反射到原邊的電壓Vor和漏感的電壓Vk會(huì)使VDS的電壓超過Vbus，注意，電容Vc的電壓是疊加在Vbus上，也就是VC在超過后該電壓后，二極管才開通。
第四步：當(dāng)VDS的電壓大于VIN+Vc電容中的電壓時(shí)，此時(shí)二極管開始導(dǎo)通，漏感和副邊反射過來的電壓VOR+Vbus+Vk給C充電，一直充電到最大值VDS出現(xiàn)


此時(shí)，因?yàn)槁└兄械哪芰吭诓粩嘟oC充電，Coss充電，所以，VDS的電壓會(huì)不斷增加，直到漏感中的能量消耗殆盡，VDS的電壓達(dá)到尖峰電壓的最大值。
第五步：此時(shí)漏感中的能量消耗殆盡，漏感電壓0，此時(shí)VDS的電壓開始下降，二極管會(huì)因?yàn)榉雌�而截止，此時(shí)電容C對(duì)電阻放電，Coss的能量開始給漏感充電

此時(shí)coss給漏感充電，VDS的電壓開始下降，當(dāng)coss電容放電結(jié)束后，此時(shí)VDS的電壓肯定比Vbus+Vor+Vk小，而后漏感中的能量又會(huì)給coss充電，此時(shí)Vk感應(yīng)電壓為下負(fù)上正，此時(shí)：

& T/ C: T! v" I2 F" e6 i2 q+ Y- s第六步：當(dāng)漏感中的能量消耗完畢后，此時(shí)電容又會(huì)反過來給漏感充電，漏感和coss電容來回充放電，形成了振蕩的波形，直到消耗完漏感的能量
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當(dāng)然，從Vds電壓由峰值電壓下降后，電容C就通過R在消耗，C上的電壓也會(huì)慢慢降低，二極管一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
第七步：漏感沒能量后，此時(shí)VDS被鉗位在VBUS+VOR電壓
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2 b+ V! v% e9 u& p2 n第八步：開關(guān)管一直處于關(guān)閉狀態(tài)，次級(jí)一直在消耗能量，當(dāng)變壓器中的能量全部消耗完畢后，此時(shí)VDS的電壓被箝位在Vbus
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第九步：當(dāng)初級(jí)繞組和副邊繞組的能力都消耗完，此時(shí)coss又會(huì)給初級(jí)繞組充電，初級(jí)繞組和coss也形程振蕩

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第十步：開關(guān)管開通，此時(shí)VDS又開始上升，重復(fù)上面的過程

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9 [3 A+ k+ W3 {, d, C& J# R如果將上面的VDS的波形畫出來，如下圖
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仿真查看電容C上的電壓，在剛上電后
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穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，VGS為低，MOS關(guān)斷，VDS電壓達(dá)到最大，此時(shí)電容吸收能量，而后并聯(lián)的電阻消耗能量。

將RC的電阻改為10K后，MOS關(guān)斷時(shí)，R消耗的能量增加，電容的電壓下降更多，但是R不能太小，否則損耗增加，整機(jī)效率降低，而且電阻會(huì)發(fā)熱。

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$ b' P6 j* p  \根據(jù)上述的波形可知，RCD的電阻最大值出現(xiàn)在VDS的最大值，此時(shí)因?yàn)镽CD吸收電路的C幾乎充滿了，已經(jīng)無法再繼續(xù)充電了，因此VDS的尖峰電壓其實(shí)只是在前面的周期中被有效吸收，而在后續(xù)周期內(nèi)，RCD吸收效果大打折扣。
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0 k- G# b2 A! q$ Q* H6 l( P2 ?) d經(jīng)過對(duì)上述RCD吸收電路和VDS電壓波形的分析，可以得出幾個(gè)結(jié)論：
1、反激電源在上電時(shí)最容易燒壞MOS，因?yàn)樯想姵跗冢�要給后級(jí)負(fù)載充電，此時(shí)初級(jí)繞組中的電流比較大，漏感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大。上電初期VDS會(huì)從小達(dá)到最大時(shí)值，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，VDS的電壓會(huì)大大降低。
3 i3 Y$ ~8 B# i8 P  F/ C4 N. k2、RCD吸收電路在上電啟動(dòng)期間，并不是每個(gè)周期吸收一樣的能量，但是會(huì)消耗同樣的能量，當(dāng)電容C的電量快充滿時(shí)，吸收效果就并不明顯，而此時(shí)也會(huì)使VDS達(dá)到最大值。
; \6 a5 T7 _) z: n3 P1 Z* H. g3、RCD吸收電路的R越小，電容C上的電壓下降越快，但是R太小，會(huì)導(dǎo)致多余的能量消耗在電阻上，會(huì)影響效率。
4、RCD吸收電路的C越小，吸收效果很差，一下就將電容C充滿，VDS達(dá)到最大值變更快，MOSFET的漏極承受的電壓應(yīng)力值更大，時(shí)間更長(zhǎng)，更容易燒MOS管。
5、RCD的二極管反向恢復(fù)時(shí)間越快越好，能快速在尖峰電壓達(dá)到時(shí)，二極管從反偏到正偏，吸收尖峰能量，箝位電壓。
* X0 S( x9 h  x- Q5 W9 e6、MOS管漏極承受的電壓應(yīng)力在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)最大，需要注意VDS耐壓值和尖峰電壓之間的裕量，確保MOS管正常工作。
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                                                                                        為什么硬件測(cè)試如此重要？？？
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