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。
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(wèn)題。這也是為什么MOS管在開(kāi)機(jī)容易被電壓應(yīng)力擊穿的原因。
8 W% e0 L. e- B下圖是反激電源變壓器部分的拓?fù)洹?font class="jammer">( c* a) t/ a, _5 F' d$ c# U5 ]+ z+ V  S


在MOS開(kāi)通時(shí)，VDS上電壓：

: f: T/ s) U! ^+ P4 T由于Rdson比較小，MOS開(kāi)通時(shí)，VDS電壓也較小。此時(shí)，MOS漏極電壓應(yīng)力較小。
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(lái)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(wú)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。


8 y) m0 F0 h6 R! r  D尖峰產(chǎn)生原因主要來(lái)自變壓器漏感，而漏感來(lái)源有兩種途徑：
5 {& Z% W0 z* D9 w/ Z$ @6 A  f. `（1）來(lái)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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（2）來(lái)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？
& \8 b/ u5 x$ y' a' ]1 f用下面模型，可以從能量角度理解。

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反激式開(kāi)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(kāi)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。
正是因?yàn)樯厦嬖�理，反激式開(kāi)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(guò)磁芯向次級(jí)傳遞能量，而是在空氣中形成閉合路徑。
& |3 {$ Y8 O5 f1 x所以，MOSFET關(guān)斷時(shí)，總有一部分能量會(huì)因?yàn)闊o(wú)法傳遞而表現(xiàn)出較高電壓來(lái)維持開(kāi)通時(shí)狀態(tài)，這就出現(xiàn)了尖峰電壓。
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0 [: j' y$ {6 v( V+ q! @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)。

0 ~# c$ U/ R. c. J; n# t下面詳細(xì)分析RCD電路工作過(guò)程。
- b+ m+ Y; Z$ o4 d, d; g7 h/ }第一步：上電，此時(shí)芯片還未輸出PWM，C電容充電到Vbus
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0 l& e+ q$ O7 ?$ {/ k. i用下面的反激式電源進(jìn)行仿真驗(yàn)證

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(méi)有動(dòng)作，VC等于輸入電壓60V。理論和實(shí)際相符合。
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' ^8 ?: `/ _' J2 m5 O9 [* L. N& M第二步：芯片達(dá)到工作電壓，開(kāi)始輸出PWM，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)變壓器開(kāi)始電感電流上升，漏感電流也上升，在MOS開(kāi)通后，Coss電容已經(jīng)放電完成

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因?yàn)閯偵想奦C電壓已經(jīng)達(dá)到60V，在MOS開(kāi)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(guò)MOS放電，變壓器初級(jí)繞組和漏感開(kāi)始積累能量。
1 a1 [7 D4 B" o+ J第三步：開(kāi)關(guān)關(guān)閉，漏感中的能量無(wú)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(kāi)始上升
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& m) s- l1 x1 B$ P! z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(kāi)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(guò)Vbus，注意，電容Vc的電壓是疊加在Vbus上，也就是VC在超過(guò)后該電壓后，二極管才開(kāi)通。
/ u3 U6 k: D1 }- n; V6 M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(kāi)始導(dǎo)通，漏感和副邊反射過(guò)來(lái)的電壓VOR+Vbus+Vk給C充電，一直充電到最大值VDS出現(xiàn)

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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(kāi)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(kāi)始給漏感充電

. ?7 V0 q* G% H$ A) a; V- w此時(shí)coss給漏感充電，VDS的電壓開(kāi)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)：
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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(guò)來(lái)給漏感充電，漏感和coss電容來(lái)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(guò)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)。
' J# P5 S. |6 b" M; g0 R第七步：漏感沒(méi)能量后，此時(shí)VDS被鉗位在VBUS+VOR電壓

第八步：開(kāi)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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6 D' o9 G' a1 W0 ~第十步：開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，此時(shí)VDS又開(kāi)始上升，重復(fù)上面的過(guò)程
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9 a; o8 y( k/ s$ c如果將上面的VDS的波形畫出來(lái)，如下圖
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9 _# Y3 b) \3 P* O" R6 e; S" u仿真查看電容C上的電壓，在剛上電后


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。
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5 N) p9 s1 E9 u" k* e" J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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4 E) R- l! O& k" V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(wú)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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經(jīng)過(guò)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：
( X0 K0 U; a4 o+ j. ^2 i1、反激電源在上電時(shí)最容易燒壞MOS，因?yàn)樯想姵跗�，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。
, i; J: o  ^9 _( m: C8 X2、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。
9 i. f% c) A& X" 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。
" ^! t5 a, r; h& Z% [8 [, _+ C. o4、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。
- |1 K/ \. q; X3 u$ l2 a6、MOS管漏極承受的電壓應(yīng)力在開(kāi)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。
聲明：
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