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  6. MOS管鉗位電壓計(jì)算與MOSFET鉗位電路工作原理
    • 發(fā)布時間:2020-11-16 18:04:23
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    MOS管鉗位電壓計(jì)算與MOSFET鉗位電路工作原理
    MOS管鉗位電壓計(jì)算
    MOS管鉗位,在開關(guān)電源中,每當(dāng)MOS管有導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r,都會產(chǎn)生一個尖峰電壓,尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感;在開關(guān)管截止時,連同輸入電壓Ui和感應(yīng)電壓UoR一起疊加在MOS管上,如果MOS管沒有足夠大的耐壓值,那么就會損壞MOS。
    MOS管鉗位,在我們計(jì)算鉗位電壓,需要了解以下幾個參數(shù):
    直流輸入最大電壓:Uimax
    一次繞組感應(yīng)電壓:UoR
    鉗位電壓:Ub
    鉗位電壓最大值:Ubmax
    MOS漏極最大電壓:Udmax
    MOS擊穿電壓:U(br)ds
    我們以簡單的TOPswitch系列來說明:
    TOPswitch系類單片機(jī)開關(guān)電源,MOS管的U(br)ds電壓一般大于等于700V左右,我們現(xiàn)在取700V來計(jì)算。感應(yīng)電壓UoR為135V;因?yàn)樗矐B(tài)電壓抑制器TVS電壓會隨溫度的升高而升高,所以我們都是以1.4倍來計(jì)算,也就是說Ubmax=1.4*Ub;而Ub呢,我們通常使用1.5倍的感應(yīng)電壓來計(jì)算,即:Ub=1.5*UoR;所以:MOS漏極最大電壓為:Uimax+1.4*1.5*Ub=625V
    MOS管鉗位
    反激式電源中MOSFET的鉗位電路
    MOS管鉗位,輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)師們的青睞,且已成為元件數(shù)少的AC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。不過,反激式電源的一個缺點(diǎn)是會對初級開關(guān)元件產(chǎn)生高應(yīng)力。
    反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理,是在電源導(dǎo)通期間將能量儲存在變壓器中,在關(guān)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(gòu)成,激磁能量在被傳遞到次級之前,一直儲存在磁芯的串聯(lián)氣隙間。
    實(shí)際上,繞組之間的耦合從不會達(dá)到完美匹配,并且不是所有的能量都通過該氣隙進(jìn)行傳遞。少量的能源儲存在繞組內(nèi)和繞組之間,這部分能量被稱為變壓器漏感。開關(guān)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(guān)之間產(chǎn)生高壓尖峰。此外,還會在斷開的開關(guān)和初級繞組的等效電容與變壓器的漏感之間,產(chǎn)生高頻振鈴(圖1)。
    MOS管鉗位
    如果該尖峰的峰值電壓超過開關(guān)元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓,就會導(dǎo)致破壞性故障。此外,漏極節(jié)點(diǎn)的高幅振鈴還會產(chǎn)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(dá)到控制MOSFET電壓尖峰的目的。
    鉗位的工作原理
    鉗位電路用于將MOSFET上的電壓控制到特定值,一旦MOSFET電壓達(dá)到閾值,所有額外的漏感能量都會轉(zhuǎn)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(diǎn)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(dǎo)通時增加EMI的產(chǎn)生量。RCD鉗位能夠很好地平衡效率、EMI產(chǎn)生量和成本,因此為常用。
    MOS管鉗位
    鉗位
    RCD鉗位的工作原理為:MOSFET關(guān)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(dāng)初級繞組電壓達(dá)到由變壓器匝數(shù)所定義的反射輸出電壓(VOR)時,次級二極管關(guān)斷,勵磁能量傳遞到次級。漏感能量繼續(xù)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)。
    MOS管鉗位
    Vc=鉗位電壓
    此時,阻斷二極管導(dǎo)通,漏感能量被轉(zhuǎn)移到鉗位電容(圖4a)。經(jīng)由電容吸收的充電電流將漏極節(jié)點(diǎn)峰值電壓鉗位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉(zhuǎn)移后,阻斷二極管關(guān)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(lián),以衰減在充電周期結(jié)束時變壓器電感和鉗位電容之間產(chǎn)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(diào)節(jié)并聯(lián)電容和電阻的大小來控制。
    MOS管鉗位
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