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转消除反激式转换器于启动期间MOSFET之过应力 2 7 J/ h& l. }- a0 l3 p
反激式转换器回路稳定度与开关管之应力关系在反激式转换器的设计中，变压器之匝数比(n)与开关管之电压应力直接相关。换句话说，决定了最大占空比就决定了变压器匝数比，同时也决定了开关管之电压应力。9 E7 T' D+ o' p, g
开关管最大之电压应力(VDS_MAX)为：9 }& Z7 I3 a9 q# S: _, ~
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; ]( ?0 f9 ~8 D4 A/ a: e: \' M其中Vin_max为最大输入电压；n为变压器匝数比；VO为输出电压；VF为功率二极管导通电压；VSpike为变压器漏电感造成的电压尖峰(于下节说明讨论)。7 H3 t% `! N, K$ h5 {1 F, l
从转换器运行的原理上来看，占空比对应着开关管与二极管导通的比率。从有效的利用半导体观点，各占一半的占空比是利用率最高的，也就是说，将最大占空比(Dmax)定在 0.5 左右对开关管与二极管的利用率最高，所以一般设定在最低输入电压下的占空比为 0.5。再计算出变压器匝数比(n)，并藉由开关管与二极管电压应力裕度，再调整 n 与Dmax。详细的反激式转换器及其变压器匝数比之设计，请参考应用文件《定频反激式转换器设计指南》。本应用文件于此探讨设计者较易忽略思考之“反激式转换器回路稳定度与开关管之应力关系”，并假设反激式转换器的变压器匝数比已进行了优化设计。% W W. ~- U |7 H E: Y* l
探讨反激式转换器之回路稳定度，应先了解反激式转换器固有的右半平面零点问题。这个零点无法用传统的极点进行补偿，所以，反馈回路的交越频率(fC)必需远低于这个零点位置，实务上，反激式转换器的交越频率多半设计在3kHz 以下。对一个离线式反激式转换器而言，在低压输入、满载时交越频率为800Hz 到3kHz (以65kHz 开关频率而言)、相位余裕(Phase Margin，ψm)大于45度以上为最恰当。详细的反激式转换器回路设计请参考《离线式反激转换器反馈设计》一文。" O( B9 X2 b" B6 p
设计不同的回路稳定度进行补偿实验，探讨回路稳定度与开关管之应力关系，可与理论形成相互佐证的关系。为了测量不同的回路增益特性对开关管所受应力的影响，我们在同一个反激式转换器电源系统上分别设定“ fC< 800 Hz &ψm < 45°”和“fC> 800 Hz &ψm > 45°”的回路增益特性并测量开关管之应力。图九及图十分别为低压及高压输入、满载时回路增益之交越频率与相位余裕实验测量曲线，图十一为高压输入、满载时开关管之应力状况。经过比较可知：当交越频率较低且相位余裕不足时，瞬时响应速度缓慢，输出电压建立过程存在过冲(Overshoot)，根据公式(4)，存在过冲的输出电压将使开关管之应力增加。所以，适当设计的回路增益交越频率和足够的相位余裕，可以有效降低反激式转换器在启动期间施加在开关管上的应力，对避免开关管损坏有极好的帮助。: {, v( s2 P |4 B' I0 v
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; `* Y% P" T) ?; r/ C+ H9 \图九、低压输入满载时回路增益之交越频率与相位余裕# `/ }- b! g( T& L G3 o6 I
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/ E+ `' x# N7 f% @; |" a图十、高压输入、满载时回路增益之交越频率与相位余裕' }" K' I2 q. r" z: k6 ^) ]6 s& H! a5 U
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$ @: j6 w9 s7 E$ y图十一、反激式转换器在高压输入、满载时对开关管之应力
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被动式电压箝位RCD缓冲电路分析及设计反激式转换器的变压器存在漏电感，开关管存在寄生电容，如图十二：反激式转换器及其组件等效电路模型所示。由于电感的磁通必需连续，当开关管关闭(Turn OFF)时，变压器之漏电感电流瞬间被截断，储存于漏电感之磁通无法被转换至变压器二次侧，此能量将在变压器之漏电感与开关管寄生电容间共振产生高频振荡，开关管之漏极(Drain)与源极(Source)间(VDS)将形成一极高之电压尖峰(Voltage Spike)，如图十三所示。图十三(a) 为反激式转换器工作于连续导通模式(Continuous-Conduction-Mode，CCM)的波形；图十三(b) 为反激式转换器工作于不连续导通模式(Discontinuous-Conduction-Mode，DCM)的波形。6 \8 Y9 e6 J$ ^% H8 j
该高频振荡迭加于开关管之漏极与源极间，迭加后的电压尖峰峰值的计算公式为：
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其中iDS_Peak为流经变压器一次侧的开关管峰值电流；LLK为变压器一次侧等效之漏电感；CP为变压器一次侧等效之寄生电容；Vin为输入电压；n为变压器匝数比；VO为输出电压；VF为功率二极管导通电压。
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5 n' F% n! o8 C p5 r) {6 I图十二、反激式转换器及其组件等效电路模型
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图十三、反激式转换器组件寄生之漏电感与电容共振波形 |
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发表于 2019-5-10 07:30
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