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作者： Antonino Gaito. 意法半導體意大利卡塔尼亞公司 功率晶體管產品部 高級應用工程師 Alfio Scuto 意法半導體意大利卡塔尼亞公司 功率晶體管產品部 高級應用工程師 摘要 – 近幾年來，開關電源市場對高能效、大功率系統的需求不斷提高，在此拉動下，設計人員轉向尋找電能損耗更低的轉換器拓撲。PWM移相控制全橋轉換器就是其中一個深受歡迎的軟硬結合的開關電源拓撲，能夠在大功率條件下達取得高能效。本文旨在于探討MOSFET開關管在零壓開關(ZVS)轉換器內的工作特性。 1. 前言 零壓開關移相轉換器的市場定位包括電信設備電源、大型計算機或服務器以及其它的要求功率密度和能效兼備的電子設備。要想實現這個目標，就必須最大限度降低功率損耗和無功功率，通過提高轉換器的開關頻率是一個可行的辦法，但是高開關頻率會導致開關損耗上升，這與提高能效的目標背道而馳。有效的解決辦法是采用零壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)轉換器拓撲，這種方法確保開關管在狀態轉換前是零電壓或零電流，特別值得一提地是，零壓開關方法可保證開關管在導通前管兩端為零電壓，從而消除了開關電流和電壓波形重疊導致的功率損耗問題。過零開關方法有很多優點，例如，線性控制恒頻工作、在功率電路內整合雜散電容或電阻、低EMI電磁干擾，但是缺點也不少，例如，移相控制器設計復雜、整流管振蕩頻率和過沖現象、輕載條件下的軟開關損耗。最近，集成化控制器的上市降低了移相控制器設計的復雜程度，同時選擇專門的開關管可以解決輕載開關功耗問題。MOSFET的某些電特性有助于系統降低故障概率。本文介紹故障概率最高的開關順序。 2. 零壓開關拓撲介紹 基本移相轉換電路是由四個開關管組成，每個橋臂有兩個開關管。因為工作模式的原因，兩個橋臂的開關管不會同時改變狀態，總是一個橋臂比另一個橋臂先改變開關狀態。第一個改變狀態的通常被稱作“超前橋臂”，而另一個被稱作“滯后橋臂”。如圖1所示，開關管Q1和Q2表示“超前橋臂”，開關管Q3和Q4表示“滯后橋臂”。 
圖1：移相零壓開關全橋電路 通過設定相移時間，可以控制輸出功率。具體地講，輸出功率大，相移時間設定長短一些；輸出功率小，相移時間設定長一些，這種方法可以控制開關階段。
圖2.換向順序 觀察圖2所示的信號順序，不難理解Q3和Q4開關管是在另外兩個開關管開關操作完全結束后才進行開關操作。換句話說，“超前橋臂”開關管Q1和Q2的導通或關斷動作總是在“滯后橋臂”開關管Q3和Q4之前發生。因為開關順序的原因，“超前橋臂”開關管必須經歷續流階段，而“滯后橋臂”開關管沒發現有這個過程。下表是開關順序表。 表1.
因為只有當開關管兩端電壓為零時才導通，所以這種控制方法可以降低開關損耗。圖3所示是一個典型的移相(P-S)零壓開關轉換器的電流和電壓波形。
圖3.移相ZVS FB 直流-直流轉換器典型波形 觀察圖3高亮部分，不難發現Q4電流信號是由兩部分組成。第一部分電流流經開關管源極至漏極間的溝道和體效應二極管，而第二部分電流只流經MOSFET漏極至源極間的內部溝道。變壓器電壓極性一變，電流方向就立即反轉。滯后橋臂開關管Q2（請查原文確認是否有筆誤）利用這個開關順序，過零時改變開關狀態，當兩端電壓為零時開始導通，實現零壓開關操作。注意Q4開關管的信號，特別是電流信號，當電流改變方向時，電壓降低。因為電流是由兩部分組成，所以去除體效應二極管內少數載流子所用的時間(trr)比典型測試時間短。少數載流子的濃度主要與重組的壽命相關。因此，推薦該拓撲使用反向恢復速度快的開關管。下面我們探討這個問題引起的潛在故障。 3. 開關管的潛在故障 如前述，在零壓開關狀態轉換過程中，MOSFET開關管Q4的內部體二極管參與開關操作，導通時間由負載大小來確定。為了調整輸出電流，兩個橋臂之間的移相時間是可變的，因此，體效應二極管導通時間從大功率時短時間變為輕載短時間。
圖4.重載時的典型波形
圖5.輕載時的典型波形 讓我們比較一下這兩種情況，圖5輕載條件少數載流子重組可用時間比圖4重載重組可用時間少，可能比完成整個操作所需的時間還要短。仔細觀察這個例子，我們發現輕載是發生這種風險的最關鍵的條件。 如圖6所示，紅虛線代表不同的恢復時間，表示當沒有使用適合的器件時可能發生故障的情況。我們用三條不同的線模擬三個不同的恢復時間，其中兩條線代表安全情況，而第三條則代表可能發生故障的情況。在最后一個情況中，恢復時間不足以讓MOSFET內部的少數載流子完全恢復。
圖6.超前開關管上的典型波形 為降低這種電應力導致的故障風險，應選擇trr和 Qrr兩個參數較小的MOSFET開關管。我們在前面介紹了幾種解決ZVS拓撲的故障模式的半導體技術，目前有多款反向恢復時間短且dv/dt耐受性強的MOSFET，適合更高頻率的ZVS全橋應用。這些方法還能讓開關電源廠商提高電源系統的可靠性。圖6所示是超前橋臂的開關管的電流波形。我們還可以對滯后橋臂開關做類似的分析。不同于超前橋臂的開關管，滯后橋臂開關管的導通階段包含內部體效應二極管的反向恢復操作。在這種情況下，如果選用與超前橋臂相同的開關管，就不會出現問題（圖7），因為滯后橋臂開關管有更多的時間用于反反向恢復。
圖7.滯后開關管上的典型波形 4. 結論 本文探討了MOSFET晶體管在移相零壓開關轉換器內的潛在故障風險。通過分析這個特定拓撲的開關狀態轉換順序，本文重點分析了故障可能發生的關鍵工作條件，以及在這個拓撲內對電應力最敏感的位置。按照開關順序將這個拓撲分為“超前橋臂”和“滯后橋臂”兩部分，本文探討了MOSFET晶體管的某些電特性，還提出了一個產品選型思路。在選型的時候，必須考慮超前橋臂對trr和Qrr限制要求。選擇正確的開關管可以提高系統可靠性，降低開關管失效可概率，取得穩健可靠的設計。 1 STMicroelectronics AN2626, “MOSFET body diode recovery mechanism in a phase-shifted ZVS full bridge DC/DC converter.” 2 Alexander Fiel and Thomas Wu, International Rectifier Applications Department, El Segundo, CA 90245, USA, “MOSFET Failure Modes in the Zero-Voltage-Switched Full-Bridge Switching Mode Power Supply Applications.” 3 Sampat Shekhawat, Mark Rinehimer and Bob Brockway, Discrete Power Group, Fairchild Semiconductor, AN-7536, “FCS Fast Body Diode MOSFET for Phase-Shifted ZVS PWM Full Bridge DC/DC Converter.” |
