反激式電源中MOSFET的鉗位電路

導讀

輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓撲結構。這種電源成本較低，使用一個控制器就能提供多路輸出跟蹤，因此受到設計師們的青睞，且已成為元件數少的AC/DC轉換器的標準設計結構。不過，反激式電源的一個缺點是會對初級開關元件產生高應力。

反激式拓撲結構的工作原理，是在電源導通期間將能量儲存在變壓器中，在關斷期間再將這些能量傳遞到輸出。反激式變壓器由一個磁芯上的兩個或多個耦合繞組構成，激磁能量在被傳遞到次級之前，一直儲存在磁芯的串聯氣隙間。實際上，繞組之間的耦合從不會達到完美匹配，并且不是所有的能量都通過該氣隙進行傳遞。少量的能源儲存在繞組內和繞組之間，這部分能量被稱為變壓器漏感。開關斷開后，漏感能量不會傳遞到次級，而是在變壓器初級繞組和開關之間產生高壓尖峰。此外，還會在斷開的開關和初級繞組的等效電容與變壓器的漏感之間，產生高頻振鈴(圖1)。

圖1：漏感產生的漏極節點開關瞬態

如果該尖峰的峰值電壓超過開關元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會導致破壞性故障。此外，漏極節點的高幅振鈴還會產生大量EMI。對于輸出功率在約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電壓達到閾值，所有額外的漏感能量都會轉移到鉗位電路，或者先儲存起來慢慢耗散，或者重新送回主電路。鉗位的一個缺點是它會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，但它們會在齊納二極管快速導通時增加EMI的產生量。RCD鉗位能夠很好地平衡效率、EMI產生量和成本，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關斷后，次級二極管立即保持反向偏置，勵磁電流對漏極電容充電(圖3a)。當初級繞組電壓達到由變壓器匝數所定義的反射輸出電壓(VOR)時，次級二極管關斷，勵磁能量傳遞到次級。漏感能量繼續對變壓器和漏極電容充電，直到初級繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

圖3：RCD鉗位電路的初級側鉗位

3 Vc=鉗位電壓

此時，阻斷二極管導通，漏感能量被轉移到鉗位電容(圖4a)。經由電容吸收的充電電流將漏極節點峰值電壓鉗位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉移后，阻斷二極管關斷，鉗位電容放電到鉗位電阻，直到下一個周期開始(圖4b)。通常會添加一個小電阻與阻斷二極管串聯，以衰減在充電周期結束時變壓器電感和鉗位電容之間產生的任何振蕩。這一完整周期會在鉗位電路中造成電壓紋波(稱為VDELTA)，紋波幅度通過調節并聯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，不同點在于它通過齊納二極管與電阻串聯來分擔耗散(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，特別是在輕載時非常有用。ZD鉗位對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瞬態條件下的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鉗位電壓的基準測量

鉗位設計必須同時考慮變壓器和MOSFET的特性。如果最低鉗位電壓低于變壓器的VOR，鉗位將充當一個負載，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，無法預防危險的電壓，并會產生不必要的EMI。最為重要的是，鉗位必須對各種電源輸入電壓、負載電流和元件容差條件下的MOSFET提供保護。

5 確定RCD鉗位的大小

這里介紹了設計RCD鉗位時需要遵循的步驟摘要。

1．測量變壓器的初級漏感LL。

2．檢查您的設計的開關頻率fs。

3．確定正確的初級電流IP，方法如下：如果設計采用功率限制設定，則IP=ILIMITEXT；如果設計采用外部流限設定，則IP=ILIMITEXT；對于所有其他設計，IP=IILIMITMAX。

4．確定初級MOSFET所允許的總電壓，并根據以下公式計算Vmaxclamp。

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

5．確定鉗位電路的電壓紋波VDELTA。

6．根據以下公式計算鉗位電路的最小電壓。

7．根據以下公式計算鉗位電路的平均電壓Vclamp。

8．根據以下公式計算漏感中儲存的能量。

9．根據以下公式估算鉗位中的能量耗散Eclamp。

10．根據以下公式計算鉗位電阻值。

11．鉗位電阻的功率額定值應大于

12．根據以下公式計算鉗位電容值。

13．鉗位電容的電壓額定值應大于1.5*Vmaxclamp。

14．應使用快速或超快恢復二極管，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大于1.5*Vmaxclamp。

16．阻斷二極管的正向反復峰值電流額定值應大于IP；如果數據手冊中未提供該參數，則平均正向電流額定值應大于：0.5*IP。

17．根據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大于

完成初始設計后，應制作一個原型來檢驗電源性能，因為變壓器漏感會因繞組技術的不同而有極大差異。特別是，應當測量平均電壓Vclamp，并將之與步驟7中的計算結果進行比較(圖5)。如有任何差異，可通過調整Rclamp值來糾正。如果測試結果與預期相差懸殊，則必須重新進行設計。

其他鉗位類型及其每個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壓管時必須特別注意，以確保不會超過它們的功率額定值。在要求使用齊納穩壓功能的大部分設計中，應使用瞬態電壓抑制器來提供所需的瞬時峰值額定功率。

應在電源滿載及最低輸入電壓條件下測量元件體的溫度，檢驗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，應重新調整其大小，并根據原型結果仔細設計。