反激式電源為什么上電最容易燒MOS管？

電子設計聯(lián)盟

大家好，這里是大話硬件。
$ `$ [  P: o0 i% Y這篇文章總結一下最近在研究的反激電源RCD吸收回路和VDS尖峰問題。這也是為什么MOS管在開機容易被電壓應力擊穿的原因。
+ ^' H! Y! T/ U% P8 @( K下圖是反激電源變壓器部分的拓撲。
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在MOS開通時，VDS上電壓：
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由于Rdson比較小，MOS開通時，VDS電壓也較小。此時，MOS漏極電壓應力較小。
然而，MOS關斷時，此時漏極會承受較大電壓應力，因此會在變壓器初級繞組上增加RCD吸收電路，用來吸收較大尖峰電壓，防止MOS因電壓應力出現(xiàn)雪崩擊穿。
8 S. }, G; v+ N0 v9 q0 e  O2 u于是，在電路中經(jīng)�？吹竭@種方案。當然還有多種類型變種，如使用TVS或者穩(wěn)壓管，無論是哪種方案類型，本質都是吸收MOSFET關斷時尖峰電壓。

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尖峰產(chǎn)生原因主要來自變壓器漏感，而漏感來源有兩種途徑：
（1）來源于變壓器本體，在骨架上繞線時，繞線疏密程度，分層繞組還是多組并繞制，這些不同的繞制方式，漏感均存在差異；如下圖中紅色和藍色繞線。
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- y- t0 j7 p, Z! X: S（2）來源于變壓器骨架焊接腳和線圈之間的線纜，變壓器線圈和骨架之間需要浸錫并焊接成型，如果繞線離變壓器骨架管腳較遠，則有較長的線纜并未和磁芯耦合。為了減少這部分漏感，貼片比直插就存在明顯的優(yōu)勢。
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以上兩種情況如果變壓器廠家設計比較差，則變壓器漏感比較大，那么漏感為什么會產(chǎn)生尖峰呢？
用下面模型，可以從能量角度理解。


; `7 p) i8 O7 v+ \( U$ l反激式開關電源不能用在大功率電源中，主要是變壓器體積和功率限制。在MOS開通時，變壓器需要存儲能量，在MOS關斷時才釋放，因此，能量傳遞到后級的大小和變壓器緊密相關。
6 x& @5 A: _( p1 r( }同時，由于變壓器是磁芯器件，還存在飽和風險，因此反激變壓器還要考慮變壓器磁芯復位，占空比不能太大，磁芯要留氣隙，多種因素導致反激不適合用在大功率電源中。
正是因為上面原理，反激式開關電源只能在MOSFET關斷時傳遞能量，而初級繞組向次級傳遞能量主要靠變壓器骨架內(nèi)包裹的磁芯。變壓器存在漏感，這部分漏感不會和磁芯產(chǎn)生耦合。另外，還有一些磁場并不會乖乖的通過磁芯向次級傳遞能量，而是在空氣中形成閉合路徑。
所以，MOSFET關斷時，總有一部分能量會因為無法傳遞而表現(xiàn)出較高電壓來維持開通時狀態(tài)，這就出現(xiàn)了尖峰電壓。
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即使漏感能量很低，但是dt在ns級別，因此，還是會感應出較高的電動勢。
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5 D& z( P2 G# M# H9 ?6 R; t# F7 v$ b下面詳細分析RCD電路工作過程。
第一步：上電，此時芯片還未輸出PWM，C電容充電到Vbus

9 {. t( G5 G& ~! I$ W0 w用下面的反激式電源進行仿真驗證

' V) d7 N# @8 N" }/ r3 k8 O設定漏感為1uH
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上電啟動時探針RCD的波形，從波形可以看出，系統(tǒng)剛上電時，芯片還未工作，此時MOSFET沒有動作，VC等于輸入電壓60V。理論和實際相符合。
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第二步：芯片達到工作電壓，開始輸出PWM，開關導通，此時變壓器開始電感電流上升，漏感電流也上升，在MOS開通后，Coss電容已經(jīng)放電完成


$ l* Z: B- S+ x  q$ j- M因為剛上電VC電壓已經(jīng)達到60V，在MOS開通時，VDS=0V，此時VC電壓明顯高于VDS，所以此時二極管反偏截止，Coss通過MOS放電，變壓器初級繞組和漏感開始積累能量。
- e+ {. H7 C( e9 t" J% E第三步：開關關閉，漏感中的能量無法傳遞到次級，漏感會產(chǎn)生下正上負的電壓，此時VDS的電壓開始上升
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在VDS電壓上升初期，VC的電壓等于Vbus，此時二極管一直是關斷的，但是當副邊二極管開通后，反射到原邊的電壓Vor和漏感的電壓Vk會使VDS的電壓超過Vbus，注意，電容Vc的電壓是疊加在Vbus上，也就是VC在超過后該電壓后，二極管才開通。
第四步：當VDS的電壓大于VIN+Vc電容中的電壓時，此時二極管開始導通，漏感和副邊反射過來的電壓VOR+Vbus+Vk給C充電，一直充電到最大值VDS出現(xiàn)

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1 [+ _2 t' M4 u) ~% T& f7 U1 B7 ?此時，因為漏感中的能量在不斷給C充電，Coss充電，所以，VDS的電壓會不斷增加，直到漏感中的能量消耗殆盡，VDS的電壓達到尖峰電壓的最大值。
" T/ a1 f7 b( |; e3 z第五步：此時漏感中的能量消耗殆盡，漏感電壓0，此時VDS的電壓開始下降，二極管會因為反偏而截止，此時電容C對電阻放電，Coss的能量開始給漏感充電
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此時coss給漏感充電，VDS的電壓開始下降，當coss電容放電結束后，此時VDS的電壓肯定比Vbus+Vor+Vk小，而后漏感中的能量又會給coss充電，此時Vk感應電壓為下負上正，此時：
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第六步：當漏感中的能量消耗完畢后，此時電容又會反過來給漏感充電，漏感和coss電容來回充放電，形成了振蕩的波形，直到消耗完漏感的能量
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5 p! B9 t- u, ^8 W( o0 x, F當然，從Vds電壓由峰值電壓下降后，電容C就通過R在消耗，C上的電壓也會慢慢降低，二極管一直處于關閉狀態(tài)。
9 s8 _+ H2 d' P/ u8 k第七步：漏感沒能量后，此時VDS被鉗位在VBUS+VOR電壓
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* U- K. T. I/ p# ]9 u第八步：開關管一直處于關閉狀態(tài)，次級一直在消耗能量，當變壓器中的能量全部消耗完畢后，此時VDS的電壓被箝位在Vbus
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! i& l: V, N$ a3 E. v. H5 r第九步：當初級繞組和副邊繞組的能力都消耗完，此時coss又會給初級繞組充電，初級繞組和coss也形程振蕩

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第十步：開關管開通，此時VDS又開始上升，重復上面的過程

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9 f# W1 P. A. [2 n/ o3 |( ~如果將上面的VDS的波形畫出來，如下圖
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9 w0 ^$ h2 _# [9 R; b- i仿真查看電容C上的電壓，在剛上電后


穩(wěn)定狀態(tài)時，VGS為低，MOS關斷，VDS電壓達到最大，此時電容吸收能量，而后并聯(lián)的電阻消耗能量。

將RC的電阻改為10K后，MOS關斷時，R消耗的能量增加，電容的電壓下降更多，但是R不能太小，否則損耗增加，整機效率降低，而且電阻會發(fā)熱。

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6 z; t8 D% _4 d. v9 f根據(jù)上述的波形可知，RCD的電阻最大值出現(xiàn)在VDS的最大值，此時因為RCD吸收電路的C幾乎充滿了，已經(jīng)無法再繼續(xù)充電了，因此VDS的尖峰電壓其實只是在前面的周期中被有效吸收，而在后續(xù)周期內(nèi)，RCD吸收效果大打折扣。

經(jīng)過對上述RCD吸收電路和VDS電壓波形的分析，可以得出幾個結論：
1、反激電源在上電時最容易燒壞MOS，因為上電初期，要給后級負載充電，此時初級繞組中的電流比較大，漏感感應電動勢較大。上電初期VDS會從小達到最大時值，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，VDS的電壓會大大降低。
$ p( o+ P. z6 S/ }9 D4 x2、RCD吸收電路在上電啟動期間，并不是每個周期吸收一樣的能量，但是會消耗同樣的能量，當電容C的電量快充滿時，吸收效果就并不明顯，而此時也會使VDS達到最大值。
3、RCD吸收電路的R越小，電容C上的電壓下降越快，但是R太小，會導致多余的能量消耗在電阻上，會影響效率。
4、RCD吸收電路的C越小，吸收效果很差，一下就將電容C充滿，VDS達到最大值變更快，MOSFET的漏極承受的電壓應力值更大，時間更長，更容易燒MOS管。
3 I, Y3 |1 r0 B  V2 l5、RCD的二極管反向恢復時間越快越好，能快速在尖峰電壓達到時，二極管從反偏到正偏，吸收尖峰能量，箝位電壓。
6、MOS管漏極承受的電壓應力在開機啟動時最大，需要注意VDS耐壓值和尖峰電壓之間的裕量，確保MOS管正常工作。
0 T& j+ r# x( V# O. C! g$ ?( K聲明：
1 l# T  ?. W' J" R- \本文轉載自大話硬件公眾號，如涉及作品內(nèi)容、版權和其它問題，請聯(lián)系工作人員微（13237418207），我們將在第一時間和您對接刪除處理!投稿/招聘/廣告/課程合作/資源置換 請加微信：13237418207

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& V0 U- U% D2 s6 {' Q4 P                                                                                        為什么硬件測試如此重要？？？
                                                                               
                                                                       
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