MOSFET晶体管在移相ZVS全桥直流-直流转换器内的工作特性: 设计考虑因素和实验结果

作者：

Antonino Gaito.
意法半导体意大利卡塔尼亚公司
功率晶体管产品部
高级应用工程师

Alfio Scuto
意法半导体意大利卡塔尼亚公司
功率晶体管产品部
高级应用工程师

摘要 – 近几年来，开关电源市场对高能效、大功率系统的需求不断提高，在此拉动下，设计人员转向寻找电能损耗更低的转换器拓扑。PWM移相控制全桥转换器就是其中一个深受欢迎的软硬结合的开关电源拓扑，能够在大功率条件下达取得高能效。本文旨在于探讨MOSFET开关管在零压开关(ZVS)转换器内的工作特性。

1.    前言

零压开关移相转换器的市场定位包括电信设备电源、大型计算机或服务器以及其它的要求功率密度和能效兼备的电子设备。要想实现这个目标，就必须最大限度降低功率损耗和无功功率，通过提高转换器的开关频率是一个可行的办法，但是高开关频率会导致开关损耗上升，这与提高能效的目标背道而驰。有效的解决办法是采用零压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)转换器拓扑，这种方法确保开关管在状态转换前是零电压或零电流，特别值得一提地是，零压开关方法可保证开关管在导通前管两端为零电压，从而消除了开关电流和电压波形重叠导致的功率损耗问题。过零开关方法有很多优点，例如，线性控制恒频工作、在功率电路内整合杂散电容或电阻、低EMI电磁干扰，但是缺点也不少，例如，移相控制器设计复杂、整流管振荡频率和过冲现象、轻载条件下的软开关损耗。最近，集成化控制器的上市降低了移相控制器设计的复杂程度，同时选择专门的开关管可以解决轻载开关功耗问题。MOSFET的某些电特性有助于系统降低故障概率。本文介绍故障概率最高的开关顺序。

2.    零压开关拓扑介绍

基本移相转换电路是由四个开关管组成，每个桥臂有两个开关管。因为工作模式的原因，两个桥臂的开关管不会同时改变状态，总是一个桥臂比另一个桥臂先改变开关状态。第一个改变状态的通常被称作“超前桥臂”，而另一个被称作“滞后桥臂”。如图1所示，开关管Q1和Q2表示“超前桥臂”，开关管Q3和Q4表示“滞后桥臂”。


图1：移相零压开关全桥电路

通过设定相移时间，可以控制输出功率。具体地讲，输出功率大，相移时间设定长短一些；输出功率小，相移时间设定长一些，这种方法可以控制开关阶段。


图2.换向顺序

观察图2所示的信号顺序，不难理解Q3和Q4开关管是在另外两个开关管开关操作完全结束后才进行开关操作。换句话说，“超前桥臂”开关管Q1和Q2的导通或关断动作总是在“滞后桥臂”开关管Q3和Q4之前发生。因为开关顺序的原因，“超前桥臂”开关管必须经历续流阶段，而“滞后桥臂”开关管没发现有这个过程。下表是开关顺序表。

表1.


因为只有当开关管两端电压为零时才导通，所以这种控制方法可以降低开关损耗。图3所示是一个典型的移相(P-S)零压开关转换器的电流和电压波形。


图3.移相ZVS FB 直流-直流转换器典型波形

观察图3高亮部分，不难发现Q4电流信号是由两部分组成。第一部分电流流经开关管源极至漏极间的沟道和体效应二极管，而第二部分电流只流经MOSFET漏极至源极间的内部沟道。变压器电压极性一变，电流方向就立即反转。滞后桥臂开关管Q2（请查原文确认是否有笔误）利用这个开关顺序，过零时改变开关状态，当两端电压为零时开始导通，实现零压开关操作。注意Q4开关管的信号，特别是电流信号，当电流改变方向时，电压降低。因为电流是由两部分组成，所以去除体效应二极管内少数载流子所用的时间(trr)比典型测试时间短。少数载流子的浓度主要与重组的寿命相关。因此，推荐该拓扑使用反向恢复速度快的开关管。下面我们探讨这个问题引起的潜在故障。

3.    开关管的潜在故障

如前述，在零压开关状态转换过程中，MOSFET开关管Q4的内部体二极管参与开关操作，导通时间由负载大小来确定。为了调整输出电流，两个桥臂之间的移相时间是可变的，因此，体效应二极管导通时间从大功率时短时间变为轻载短时间。


图4.重载时的典型波形


图5.轻载时的典型波形

让我们比较一下这两种情况，图5轻载条件少数载流子重组可用时间比图4重载重组可用时间少，可能比完成整个操作所需的时间还要短。仔细观察这个例子，我们发现轻载是发生这种风险的最关键的条件。

如图6所示，红虚线代表不同的恢复时间，表示当没有使用适合的器件时可能发生故障的情况。我们用三条不同的线模拟三个不同的恢复时间，其中两条线代表安全情况，而第三条则代表可能发生故障的情况。在最后一个情况中，恢复时间不足以让MOSFET内部的少数载流子完全恢复。


图6.超前开关管上的典型波形

为降低这种电应力导致的故障风险，应选择trr和 Qrr两个参数较小的MOSFET开关管。我们在前面介绍了几种解决ZVS拓扑的故障模式的半导体技术，目前有多款反向恢复时间短且dv/dt耐受性强的MOSFET，适合更高频率的ZVS全桥应用。这些方法还能让开关电源厂商提高电源系统的可靠性。图6所示是超前桥臂的开关管的电流波形。我们还可以对滞后桥臂开关做类似的分析。不同于超前桥臂的开关管，滞后桥臂开关管的导通阶段包含内部体效应二极管的反向恢复操作。在这种情况下，如果选用与超前桥臂相同的开关管，就不会出现问题（图7），因为滞后桥臂开关管有更多的时间用于反反向恢复。


图7.滞后开关管上的典型波形

4.    结论

本文探讨了MOSFET晶体管在移相零压开关转换器内的潜在故障风险。通过分析这个特定拓扑的开关状态转换顺序，本文重点分析了故障可能发生的关键工作条件，以及在这个拓扑内对电应力最敏感的位置。按照开关顺序将这个拓扑分为“超前桥臂”和“滞后桥臂”两部分，本文探讨了MOSFET晶体管的某些电特性，还提出了一个产品选型思路。在选型的时候，必须考虑超前桥臂对trr和Qrr限制要求。选择正确的开关管可以提高系统可靠性，降低开关管失效可概率，取得稳健可靠的设计。

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.”