MOS管鉗位電壓計(jì)算以及MOSFET鉗位電路工作原理

MOS管鉗位電壓計(jì)算

MOS管鉗位，在開(kāi)關(guān)電源中，每當(dāng)MOS管有導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓，尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感；在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，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(méi)有足夠大的耐壓值，那么就會(huì)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(gè)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(jiǎn)單的TOPswitch系列來(lái)說(shuō)明:

TOPswitch系類(lèi)單片機(jī)開(kāi)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(lái)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(huì)隨溫度的升高而升高，所以我們都是以1.4倍來(lái)計(jì)算，也就是說(shuō)Ubmax=1.4*Ub；而Ub呢，我們通常使用1.5倍的感應(yīng)電壓來(lái)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

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(gè)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(guò)，反激式電源的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)初級(jí)開(kāi)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?jī)?chǔ)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(gè)磁芯上的兩個(gè)或多個(gè)耦合繞組構(gòu)成，激磁能量在被傳遞到次級(jí)之前，一直儲(chǔ)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(huì)達(dá)到完美匹配，并且不是所有的能量都通過(guò)該氣隙進(jìn)行傳遞。少量的能源儲(chǔ)存在繞組內(nèi)和繞組之間，這部分能量被稱(chēng)為變壓器漏感。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，漏感能量不會(huì)傳遞到次級(jí)，而是在變壓器初級(jí)繞組和開(kāi)關(guān)之間產(chǎn)生高壓尖峰。此外，還會(huì)在斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)和初級(jí)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)。

如果該尖峰的峰值電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會(huì)導(dǎo)致破壞性故障。此外，漏極節(jié)點(diǎn)的高幅振鈴還會(huì)產(chǎn)生大量EMI。對(duì)于輸出功率在約2W以上的電源來(lái)說(shuō)，可以使用鉗位電路來(lái)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(huì)轉(zhuǎn)移到鉗位電路，或者先儲(chǔ)存起來(lái)慢慢耗散，或者重新送回主電路。鉗位的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)耗散功率并降低效率，因此，有許多不同類(lèi)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(lái)降低功耗，但它們會(huì)在齊納二極管快速導(dǎo)通時(shí)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。

鉗位

RCD鉗位的工作原理為：MOSFET關(guān)斷后，次級(jí)二極管立即保持反向偏置，勵(lì)磁電流對(duì)漏極電容充電(圖3a)。當(dāng)初級(jí)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(shí)，次級(jí)二極管關(guān)斷，勵(lì)磁能量傳遞到次級(jí)。漏感能量繼續(xù)對(duì)變壓器和漏極電容充電，直到初級(jí)繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

Vc=鉗位電壓

此時(shí)，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(gè)周期開(kāi)始(圖4b)。通常會(huì)添加一個(gè)小電阻與阻斷二極管串聯(lián)，以衰減在充電周期結(jié)束時(shí)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(huì)在鉗位電路中造成電壓紋波(稱(chēng)為VDELTA)，紋波幅度通過(guò)調(diào)節(jié)并聯(lián)電容和電阻的大小來(lái)控制。

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