MOS管鉗位電壓計算及MOSFET鉗位電路工作原理-KIA MOS管

MOS管鉗位電壓計算

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來計算。感應(yīng)電壓UoR為135V；因為瞬態(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)計結(jié)構(gòu)。不過，反激式電源的一個缺點是會對初級開關(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