反激式轉換器工作原理以及反激開關MOSFET源極流出的電流波形轉折...

2021-01-08 電子發燒友
反激式轉換器工作原理

圖1為一個最簡單的反激式轉換器拓撲結構,並且包含以下寄生元件:

如初級漏電感、MOSFET的寄生電容和次級二極體的結電容。

圖1包含寄生元件的反激式轉換器拓撲圖

該拓撲源自一個升降壓轉換器,將濾波電感替換為耦合電感,如帶有氣隙的磁芯變壓器,當主開關器件MOSFET導通時,能量以磁通形式存儲在變壓器中,並在MOSFET關斷時傳輸至輸出。由於變壓器需要在MOSFET導通期間存儲能量,磁芯應該開有氣隙,基於這種特殊的功率轉換過程,所以反激式轉換器可以轉換傳輸的功率有限,只是適合中低功率應用,如電池充電器、適配器和DVD播放器。

反激式轉換器在正常工作情況下,當MOSFET關斷時,初級電流(id)在短時間內為 MOSFET的Coss(即Cgd+Cds)充電,當Coss兩端的電壓Vds超過輸入電壓及反射的輸出電壓之和(Vin+nVo)時,次級二極體導通,初級電感Lp兩端的電壓被箝位至nVo。因此初級總漏感Lk(即Lkp+n2×Lks)和Coss之間發生諧振,產生高頻和高壓浪湧,MOSFET上過高的電壓可能導致故障。

反激式轉換器可以工作在連續導通模式(CCM)(如圖2)和不連續導通模式(DCM)(如圖3)下,當工作在CCM模式時,次級二極體保持導通直至MOSFET柵極導通,而MOSFET導通時,次級二極體的反向恢復電流被添加至初級電流,因此在導通瞬間初級電流上出現較大的電流浪湧;當工作在DCM模式時,由於次級電流在一個開關周期結束前乾涸,Lp和MOSFET的Coss之間發生諧振。

圖2 連續導通模式

圖3 不連續導通模式

圖4顯示了開關電源工作在DCM模式,實測的MOSFET電壓和電流工作波形,除了可以看到MOSFET在開通和關斷的過程中,均產生比較大的電壓和電流變化,而且可以看到MOSFET在開通和關斷的瞬間,產生一些震蕩和電流尖峰。

如圖1所示的包含寄生元件的反激式轉換器拓撲圖,其中Cgs、Cgd和 Cds分別為開關管MOSFET的柵源極、柵漏極和漏源極的雜散電容,Lp、Lkp、Lks和Cp分別為變壓器的初級電感、初級電感的漏感、次級電感的漏感和原邊線圈的雜散電容,Cj為輸出二極體的結電容。圖5為反激變換器工作在DCM工作模式時,開關管分別工作在(a)開通瞬間、 (b)開通階段、 (c)關斷瞬間和(d)關斷階段時,所對應的等效分析電路,Rds為開關管的漏源極等效電阻。

圖5 反激變換器在DCM模式開關管工作在各階段對應的等效分析電路

在開關管開通瞬間,由於電容兩端電壓不能突變,雜散電容Cp兩端電壓開始是上負下正,產生放電電流,隨著開關管逐漸開通,電源電壓Vin對雜散電容Cp充電,其兩端電壓為上正下負,形成流經開關管和Vin的電流尖峰;同時Cds電容對開關管放電,也形成電流尖峰,但是此尖峰電流不流經Vin,只在開關管內部形成迴路;另外,如果變換器工作在CCM模式時,由於初級電感Lp兩端電壓縮小,二極體D開始承受反偏電壓關斷,引起反向恢復電流,該電流經變壓器耦合到原邊側,也會形成流經開關管和Vin的電流尖峰。

在開關管開通階段,二極體D截止,電容Cp兩端電壓為Vin,通過初級電感Lp的電流指數上升,近似線性上升。

在開關管關斷瞬間,初級電流id為Coss充電,當Coss兩端的電壓超過Vin與nVo(二極體D開通時變壓器副邊線圈電壓反射回原邊線圈的電壓)之和時,二極體D在初級電感Lp續流產生的電壓作用下正偏開通,Lk和Coss發生諧振,產生高頻震蕩電壓和電流。

在開關管關斷階段,二極體D正偏開通,把之前存儲在Lp中的能量釋放到負載端,此時副邊線圈電壓被箝位等於輸出電壓Vo,經匝比為n的變壓器耦合回原邊,使電容Cp電壓被充電至nVo(極性下正上負),初級電感Lp兩端的電壓被箝位至nVo。當Lp續流放電結束後,D反偏截止,Lp和Coss、Cp發生諧振,導致Cp上的電壓降低。

反激開關MOSFET 源極流出的電流(Is)波形的轉折點的分析。

很多工程師在電源開發調試過程中,測的的波形的一些關鍵點不是很清楚,下面針對反激電源實測波形來分析一下。

問題一,一反激電源實測Ids電流時前端有一個尖峰(如下圖紅色圓圈裡的尖峰圖),這個尖峰到底是什麼原因引起的?怎麼來消除或者改善?


經分析,知道此尖峰電流是變壓器的原邊分布參數造成,所以要從原邊繞線層與層指尖間著手,可以加大間隙來減少耦合,也可以儘量設計成單層繞組。

例如變壓器儘量選用Ae值大的,使設計時繞組圈數變少減少了層數,從而使層間電容變小。也可減少線與線之間的接觸面,達到減少分布電容的目的。如三明治繞法把原邊分開對此尖峰有改善,還能減少漏感。當然,無論怎樣不能完全避免分布電容的存在,所以這個尖峰是不能完全消除的。並且這個尖峰高產生的振蕩,對EMI不利,實際工作影響倒不大。但如果太高可能會引起晶片過流檢測誤觸發。

所以電源IC內部都會加一個200nS-500nS的LEB Time,防止誤觸發,就是我們常說的消隱。

問題二,開關MOS關端時,IS電流波形上有個凹陷(如下圖紅色圈內的電流波形的凹陷)這是怎麼回事?怎麼改善?

說這個原因之前先對比下mos漏極電流Id與mos源極電流Is的波形。

實測Id波形如下


從上面的這兩個圖中看出,ID比IS大一點是怎麼回事?其實Is 是不等於Id的,Is = Id+Igs(Igs在這裡是負電流,Cgs的放電電流如下圖),那兩點波形,就容易解釋了。

Id比Is大,是由於IS疊加了一個反向電流,所以出現Is下降拐點。顯然要改善這個電流凹陷可以換開關MOS管型號來調節。

看了上面Id的電流波形後問題又來了,mos關斷時ID的電流為何會出現負電流?如下圖

MOS關斷時,漏感能量流出給Coss充到高點,即Vds反射尖峰的頂點上。到最高點後Lk相位翻轉,Coss反向放電,這時電流流出,也就是Id負電流部份的產生。

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