近幾年來，開關電源市場對高能效、大功率系統(tǒng)的需求不斷提高，在此拉動下，設計人員轉(zhuǎn)向?qū)ふ译娔軗p耗更低的轉(zhuǎn)換器拓撲。pWM移相控制全橋轉(zhuǎn)換器就是其中一個深受歡迎的軟硬結(jié)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(zhuǎn)換器內(nèi)的工作特性。

1.前言

零壓開關移相轉(zhuǎn)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?zhèn)涞碾娮釉O備。要想實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器拓撲，這種方法確保開關管在狀態(tài)轉(zhuǎn)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(yōu)點，例如，線性控制恒頻工作、在功率電路內(nèi)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(xiàn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(tài)，總是一個橋臂比另一個橋臂先改變開關狀態(tài)。第一個改變狀態(tài)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(jié)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(fā)生。因為開關順序的原因，超前橋臂開關管必須經(jīng)歷續(xù)流階段，而滯后橋臂開關管沒發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換器的電流和電壓波形。

圖3.移相ZVSFB直流-直流轉(zhuǎn)換器典型波形

觀察圖3高亮部分，不難發(fā)現(xiàn)Q4電流信號是由兩部分組成。第一部分電流流經(jīng)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(jīng)MOSFET漏極至源極間的內(nèi)部溝道。變壓器電壓極性一變，電流方向就立即反轉(zhuǎn)。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(tài)，當兩端電壓為零時開始導通，實現(xiàn)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(nèi)少數(shù)載流子所用的時間（trr）比典型測試時間短。少數(shù)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(tài)轉(zhuǎn)換過程中，MOSFET開關管Q4的內(nèi)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(diào)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?yōu)檩p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(shù)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(fā)現(xiàn)輕載是發(fā)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(fā)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(fā)生故障的情況。在最后一個情況中，恢復時間不足以讓MOSFET內(nèi)部的少數(shù)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(shù)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(tǒng)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(nèi)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(xiàn)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(jié)論

本文探討了MOSFET晶體管在移相零壓開關轉(zhuǎn)換器內(nèi)的潛在故障風險。通過分析這個特定拓撲的開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序，本文重點分析了故障可能發(fā)生的關鍵工作條件，以及在這個拓撲內(nèi)對電應力最敏感的位置。按照開關順序?qū)⑦@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(chǎn)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(tǒng)可靠性，降低開關管失效可概率，取得穩(wěn)健可靠的設計。

探討MOSFET開關管在零壓開關（ZVS）轉(zhuǎn)換器內(nèi)的工作特性

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