詳解推挽變換器漏感電壓尖峰-KIA MOS管

推挽，在國內逆變行業無處沒有它的身影，最多的還是車載逆變器。由于其電路簡單，功率管數量少，占用PCB空間也少。但其推挽所選功率管需要2倍輸入電壓特性，在低壓大電流點路中再合適不過，也成為逆變電源工程師設計之首選。

正是因為看似簡單的一個拓撲，確讓很多設計師望而卻步，因為推挽有一個最頭疼的問題，電壓尖峰。

通常推挽拓撲中功率管選用都是MOSFET，而MOSFET失效最多原因往往不是電流而是電壓，這正是由于推挽變換器漏感所致。這就迫使設計師不得不降低變壓器漏感，選用更高耐壓功率管，甚至加入各種吸收電路來滿足設計要求，但是卻發現都不能從根本上解決問題。

下面研究一下電壓尖峰的產生機制

高頻變器設計時，總會或多或少存在一定漏感，當其中一只功率管VT1導通時，變壓器要向副邊傳送能量，就會有電流流過變壓器繞組Lp1，而變壓器漏感可以看作一個獨立電感Lm1串聯在電路中，在電流流過Lp1時儲存能量，并在功率管關斷后釋放能量，如果Lm1儲存的能量在死區時間內沒有完全釋放，在另一只功率管VT2導通時，這就形成了很高電壓尖峰。

大家都知道MOSFET制作工藝時體內有3個電容，輸入電容GS,輸出電容DS，和反向傳輸電容DG。這個輸出電容Coss對尖峰有一定吸收作用，如果漏感能量足夠小，可以得到有效的吸收。如果漏感能量很大，就會在Coss上形成很高電壓，損壞MOSFET管。

要想控制推挽拓撲工作在2倍左右輸出電壓，就要讓功率管接近關斷時，電流下降接近為0，才能避免尖峰電壓的產生，這里就需要用到軟開關電路。

但是要做到軟開關條件是很苛刻的，一般需要占空比和死區時間恒定時才能達到。那么只有占空比最大時，通過設置好合理的死區時間，可以達到軟開關條件。

所以這里就有2大難題需要我們解決：

1：閉環工作時的電壓尖峰。（占空比沒有達到最大時）

2：開環工作時的電壓尖峰。（最大占空比時）

既然我們可以用軟開關解決開環工作時MOSFET的電壓尖峰，那么我們可以讓機器在開機和空載時處于閉環狀態，減少待機功耗。帶載后工作在開環。因為空載時高頻變壓器向副邊傳遞的能量只有待機損耗，變壓器漏感儲存的能量并不大，漏感尖峰在很小范圍，這樣就能保證MOSFET工作在安全范圍。

接下來首先要解決的是軟開關。我們先來看看軟開關電路結構。

這是一個很常用的諧振電路，Lr為副邊諧振電感，Cr為副邊諧振電容，通過調節Lr和Cr來調節輸出阻抗，使諧振頻率等于工作頻率，也就是使變換器工作在容性和感性的臨界區域，此時副邊的工作電流呈正弦。（調節Lr和Cr可以控制副邊電流的上升弧度完全正弦，Cr可以起到隔直作用，防止變壓器偏磁。）

下面這張波形為變換器工作在滿載開環下的波形圖。

黃色為副邊Lr的電流波形，藍色為推挽其中一只功率管的VDS電壓波形

上圖黃色為開關管驅動波形，藍色為VDS電壓波形

不難看出，初級邊功率管工作在0電壓開關模式下，副邊整流二極管工作在0電流開關模式下，由于高頻變壓器初次級耦合存在漏感，副邊整流二極管在電流為0時，初級任然有一定電流流過，當然這個電流很小，這樣在功率管關斷后，變壓器漏感儲存的能量能夠加速功率管的Coss電容呈線性充電，同時也給另一只功率管創造了0電壓導通條件。調節合適死區時間來滿足漏感能量給Coss充電過程。就可以實現功率管工作電壓在2倍輸入電壓下。

閉環工作時有2種模式：

1：開機軟啟動時。

2：空載或者負載很輕時。

下面來看一張開機MOSFET的電壓波形

這是輸入24V電壓下功率MOSFET的電壓尖峰，如果選用100VMOSFET，也是是相當危險。

下圖為處理后的開機電壓尖峰波形，基本上已經控制在2倍輸入電壓下。

接下來依次講解處理開機電壓尖峰的處理辦法。

米勒效應在MOS驅動中臭名昭著，他是由MOS管的米勒電容引發的米勒效應，在MOS管開通過程中，GS電壓上升到某一電壓值后GS電壓有一段穩定值，過后GS電壓又開始上升直至完全導通。

為什么會有穩定值這段呢？因為，在MOS開通前，D極電壓大于G極電壓，MOS寄生電容Cgd儲存的電量需要在其導通時注入G極的電荷與其中和，因MOS完全導通后G極電壓大于D極電壓。米勒效應會嚴重增加MOS的開通損耗。

所以就出現了所謂的圖騰驅動！選擇MOS時，Cgd越小開通損耗就越小。米勒效應不可能完全消失。

MOS上的電壓尖峰，這個尖峰電壓是不是等于輸入電壓+反射電壓+漏感電壓

1.開關損耗大。開通時，開關器件的電流上升和電壓下降同時進行；關斷時，電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊產生了開關損耗，該損耗隨開關頻率的提高而急速增加。

2.感性關斷電尖峰大。當器件關斷時，電路的感性元件感應出尖峰電壓，開關頻率愈高，關斷愈快，該感應電壓愈高。此電壓加在開關器件兩端，易造成器件擊穿。

3.容性開通電流尖峰大。當開關器件在很高的電壓下開通時，儲存在開關器件結電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而引起器件過熱損壞。另外，二極管由導通變為截止時存在反向恢復期，開關管在此期間內的開通動作，易產生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對器件的安全運行造成危害。

4.電磁干擾嚴重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和dv/dt增大，從而導致電磁干擾（EMI）增大，影響整流器和周圍電子設備的工作。

軟開關是在硬開關電路的基礎上，加入電感、電容等諧振器件，在開關轉換過程中引入諧振過程，開關在其兩端的電壓為零時導通;或使流過開關器件的電流為零時關斷，使開關條件得以改善，降低硬開關的開關損耗和開關噪聲，從而提高了電路的效率

QR， 有人叫“類共振”，也叫做“準諧振”。

基本架構還是Flyback，只不過是利用變壓器漏感形成類似共振的效果。有共振當然電壓波形就會有出現弦波，再利用弦波的波谷段將MOSFET導通，此時在MOSFET D-S 兩端的VDS最小，以此達到減少切換損失達成高效率的要求。MOSFET導通時VDS最小，就是導通時的dv/dt最小，EMI特性會大大優化。

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