MOS管钳位电压计算及MOSFET钳位电路工作原理-KIA MOS管

MOS管钳位电压计算

MOS管(guan)钳位，在(zai)开关电源中，每当MOS管(guan)有导通(tong)变为(wei)截止时(shi)，都(dou)会产生一(yi)(yi)个尖(jian)峰(feng)电压(ya)(ya)，尖(jian)峰(feng)电压(ya)(ya)是由(you)于高频变压(ya)(ya)器存在(zai)漏感(gan)；在(zai)开关管(guan)截止时(shi)，连(lian)同输入(ru)电压(ya)(ya)Ui和感(gan)应电压(ya)(ya)UoR一(yi)(yi)起叠加(jia)在(zai)MOS管(guan)上，如果(guo)MOS管(guan)没有足(zu)够大的(de)耐压(ya)(ya)值，那(nei)么(me)就会损坏MOS。

MOS管(guan)钳位，在我们计(ji)算(suan)钳位电压，需要了解以下几(ji)个参数：

直流输(shu)入(ru)最(zui)大电压：Uimax

一次绕(rao)组感应电压(ya)：UoR

钳位(wei)电压：Ub

钳位电(dian)压最大值：Ubmax

MOS漏极最大电压：Udmax

MOS击穿电压：U（br）ds

我们以(yi)简单(dan)的TOPswitch系列来(lai)说明:

TOPswitch系类单(dan)片机(ji)开关电源,MOS管的U（br）ds电压(ya)一般大(da)于等(deng)于700V左右，我们现在取700V来计算(suan)。感(gan)应电(dian)压(ya)UoR为135V；因为瞬(shun)态(tai)电(dian)压抑制器TVS电(dian)压会随(sui)温(wen)度(du)的升高(gao)而升高(gao)，所以我们都是以1.4倍来(lai)计(ji)算，也就是说(shuo)Ubmax=1.4*Ub；而Ub呢，我们通常使用1.5倍(bei)的感(gan)应电压来计(ji)算，即(ji)：Ub=1.5*UoR;所(suo)以：MOS漏极最大电(dian)压为：Uimax+1.4*1.5*Ub=625V

反激式电源中MOSFET的钳位电路

MOS管钳位，输出功率100W以下的(de)(de)(de)AC/DC电源通常都采(cai)用反激(ji)式(shi)拓(tuo)扑结(jie)构。这种电源成本较低，使用一个(ge)控制器就(jiu)能提供多(duo)路(lu)输出跟(gen)踪，因此受到设(she)计师们的(de)(de)(de)青睐，且(qie)已成为(wei)元件(jian)数(shu)少的(de)(de)(de)AC/DC转换器的(de)(de)(de)标准设(she)计结(jie)构。不过(guo)，反激(ji)式(shi)电源的(de)(de)(de)一个(ge)缺点(dian)是(shi)会对初(chu)级(ji)开关元件(jian)产生高(gao)应力(li)。

反激(ji)(ji)式拓(tuo)扑结构的(de)工(gong)作原理，是在(zai)电源(yuan)导通(tong)期(qi)(qi)间将能(neng)量(liang)储(chu)存在(zai)变压(ya)(ya)器中，在(zai)关断期(qi)(qi)间再将这些能(neng)量(liang)传(chuan)递(di)到(dao)输出。反激(ji)(ji)式变压(ya)(ya)器由一(yi)个磁芯(xin)上的(de)两个或多(duo)个耦合绕(rao)组构成(cheng)，激(ji)(ji)磁能(neng)量(liang)在(zai)被传(chuan)递(di)到(dao)次级之前，一(yi)直储(chu)存在(zai)磁芯(xin)的(de)串联(lian)气隙间。

实际(ji)上，绕(rao)组(zu)之(zhi)(zhi)间(jian)的(de)(de)耦合(he)从不(bu)会(hui)(hui)达到(dao)完美匹配，并且不(bu)是所有的(de)(de)能量(liang)都通过该气(qi)隙进行传(chuan)递。少(shao)量(liang)的(de)(de)能源储(chu)存在绕(rao)组(zu)内和(he)绕(rao)组(zu)之(zhi)(zhi)间(jian)，这部分能量(liang)被称为变(bian)压器(qi)漏感(gan)。开关断开后，漏感(gan)能量(liang)不(bu)会(hui)(hui)传(chuan)递到(dao)次(ci)级(ji)，而是在变(bian)压器(qi)初(chu)级(ji)绕(rao)组(zu)和(he)开关之(zhi)(zhi)间(jian)产生高压尖峰。此(ci)外，还会(hui)(hui)在断开的(de)(de)开关和(he)初(chu)级(ji)绕(rao)组(zu)的(de)(de)等效电(dian)容与(yu)变(bian)压器(qi)的(de)(de)漏感(gan)之(zhi)(zhi)间(jian)，产生高频振(zhen)铃(图1)。

如果该尖(jian)峰(feng)的(de)峰(feng)值(zhi)电(dian)(dian)压超过(guo)开(kai)关元件(通常(chang)为功率MOSFET)的(de)击(ji)穿电(dian)(dian)压，就会导致破坏(huai)性故障。此外，漏极(ji)节点的(de)高幅振铃(ling)还会产(chan)生大量EMI。对于输出功率在约2W以上的(de)电(dian)(dian)源(yuan)来说，可以使用钳位电(dian)(dian)路来安全(quan)耗散(san)漏感能量，达到控制MOSFET电(dian)(dian)压尖(jian)峰(feng)的(de)目的(de)。

钳位的工作原理

钳(qian)位(wei)电(dian)路(lu)用于将MOSFET上(shang)的(de)(de)电(dian)压控制到(dao)(dao)特(te)定值(zhi)，一(yi)旦(dan)MOSFET电(dian)压达到(dao)(dao)阈值(zhi)，所有额外的(de)(de)漏感能量(liang)都会转移(yi)到(dao)(dao)钳(qian)位(wei)电(dian)路(lu)，或(huo)(huo)者先(xian)储存起来(lai)慢慢耗(hao)散，或(huo)(huo)者重新送回主电(dian)路(lu)。钳(qian)位(wei)的(de)(de)一(yi)个缺点是(shi)它会耗(hao)散功(gong)率并降(jiang)(jiang)低效率，因(yin)此，有许多不同类型的(de)(de)钳(qian)位(wei)电(dian)路(lu)可供选择(ze)(图2)。有多种钳(qian)位(wei)使(shi)用齐纳二极管(guan)来(lai)降(jiang)(jiang)低功(gong)耗(hao)，但它们会在齐纳二极管(guan)快速导通时(shi)增(zeng)加(jia)EMI的(de)(de)产生(sheng)量(liang)。RCD钳(qian)位(wei)能够很好地平衡(heng)效率、EMI产生(sheng)量(liang)和(he)成本，因(yin)此为常用。

钳位

RCD钳位的(de)工作原理为：MOSFET关断(duan)后，次级(ji)二(er)极管立即保持反向偏置，励(li)磁电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流对漏极电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(图3a)。当初级(ji)绕组(zu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)达到由变(bian)压(ya)器匝数所定(ding)义的(de)反射输出电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(VOR)时，次级(ji)二(er)极管关断(duan)，励(li)磁能(neng)量传递(di)到次级(ji)。漏感(gan)能(neng)量继(ji)续对变(bian)压(ya)器和漏极电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，直到初级(ji)绕组(zu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)等于箝位电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(图3b)。

Vc=钳(qian)位电(dian)压

此时，阻(zu)断二(er)极(ji)管(guan)导通，漏(lou)(lou)感(gan)能量(liang)被转(zhuan)移到(dao)(dao)钳(qian)位(wei)(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(图4a)。经由电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)吸(xi)收的充电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)流将漏(lou)(lou)极(ji)节点峰值电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)钳(qian)位(wei)(wei)(wei)到(dao)(dao)VIN(MAX)+VC(MAX)。漏(lou)(lou)感(gan)能量(liang)完全转(zhuan)移后(hou)，阻(zu)断二(er)极(ji)管(guan)关断，钳(qian)位(wei)(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)放电(dian)(dian)(dian)(dian)到(dao)(dao)钳(qian)位(wei)(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，直到(dao)(dao)下(xia)一(yi)(yi)个(ge)周(zhou)(zhou)期开(kai)始(图4b)。通常会添加(jia)一(yi)(yi)个(ge)小(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)与阻(zu)断二(er)极(ji)管(guan)串联，以衰减在充电(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期结束时变(bian)压(ya)器电(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)和钳(qian)位(wei)(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)之(zhi)间(jian)产生的任(ren)何振荡(dang)。这一(yi)(yi)完整(zheng)周(zhou)(zhou)期会在钳(qian)位(wei)(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)路中造成电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)纹(wen)波(称为(wei)VDELTA)，纹(wen)波幅度通过调节并联电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)和电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的大小(xiao)来控(kong)制。

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