在ZVS拓撲中選擇最優(yōu)的死區(qū)時間

　　摘要：通過本文的分析來優(yōu)化中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉換器拓撲使用時的死區(qū)時間，能夠幫助工程師發(fā)現(xiàn)各種器件技術的優(yōu)點，甚至使那些過時的設計方案也能達到更好的性能。

　　中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉換器拓撲中被廣泛使用，例如半磚或全橋整流，以及單端升壓或同步降壓穩(wěn)壓器。橋式整流可以是硬開關或軟開關，但目前的大多數(shù)轉換器使用零電壓開關(ZVS)，避免導通時的開關損耗。功率部分是一樣的，只是需要對器件開啟和關閉的次序進行調整。在寬輸入電壓DC-DC磚式轉換器里，同步降壓轉換器一般用于前端預穩(wěn)壓，在ZVS模式中還用來開關低邊MOSFET。硬開關的橋式整流和升壓轉換器對死區(qū)時間沒有嚴格的要求，所有的軟開關ZVS橋式和同步降壓轉換器都必須在類似的限制條件下工作。在低壓同步降壓轉換器中，在低邊和高邊MOSFET之間轉換的死區(qū)時間由控制器或驅動器進行優(yōu)化。還需要通過檢測柵極驅動的下降沿或開關節(jié)點的電壓，對器件采取防止共通的措施。此外，還有一些更加復雜的技術，設法能夠連續(xù)地對延遲進行最優(yōu)的調整。

　　然而，像這樣的精細調節(jié)對較高電壓的驅動器并不實用，設計者必須回過頭來在轉換過程中采用固定的死區(qū)時間。由于長死區(qū)時間會導致體二極管的導通時間更長，進而損失效率，人們總是期望有一種辦法，在不進入共通保護的條件下，能夠提供優(yōu)化的最小死區(qū)時間。這要求對整個轉換過程有深入細致的了解，根據(jù)MOSFET和電路的參數(shù)，計算不同的時間間隔。當可以實現(xiàn)最優(yōu)延遲，而且根據(jù)以往經(jīng)驗，這個條件是常常能夠達到的，這時有必要對變化過程進行分析，選擇能實現(xiàn)最高效率的合適器件。為說明這個分析過程，在本文中我們將使用一個軟開關全橋整流，每個橋臂的滿占空比為50%。這個拓撲也被稱為直流變壓器，在48V直流輸入、非穩(wěn)壓中間總線轉換器(IBC)輸出的產品中用得比較普遍。在這里討論的概念和參數(shù)折中也可以擴展到很多其他ZVS拓撲。

　　轉換過程

　　首先，軟開關全橋整流的開關順序有幾種不同方式，每種都有其優(yōu)點和缺陷。一個特別的順序是，每個轉換過程都是從關閉高邊MOSFET開始，如圖1所示。在轉換過程中，流經(jīng)不同器件的電流流向如圖2a到圖2e所示。開始階段，Q1和Q4導通，能量輸送到負載(圖2a)。關閉Q1，開始轉換，Q1的電流流向體二極管Q2(圖2b)。間隔的持續(xù)時間是Tdt。

　　當Q完全關閉，Q2以零過流的方式導通。然后是很短的一段時間(TXSR)，在這段時間里，變壓器的初級側對外短路，生磁電流在低邊MOSFET(圖2c)之間形成回路。在移相橋式轉換器里，通過改變TXSR來實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，但在直流變壓器，要把TXSR保持在最小值。經(jīng)過TXSR延遲后，Q4關閉，生磁電流流向Q3(圖2d)。經(jīng)過另一段時間間隔Tdt(圖2e)后，Q3以ZVS方式導通，轉換過程結束。

　　總轉換時間的計算公式T_trans = 2×T_dt + T_XSR

　　間隔時間T_XSR對初級轉換并不重要，理論上這個時間可以為零。然而，次級同步整流器要求有一個最小的間隔時間。如果輸出整流器被替換成同步MOSFET，其驅動信號在T_XSR死區(qū)段內必須進行切換。不管是自驅動還是控制驅動的SSR，次級驅動脈沖在這兩種情況下都要與初級側相匹配。唯一的區(qū)別是，在自驅動方案中，T_XSR要更高一些，因為變壓器次級的上升和下降時間要長得多。要考慮的另一個因素是，從高邊→低邊和從低邊→高邊，轉換過程是不對稱的，因為由集成電路構成的柵極驅動在輸入信號的電平轉換過程中會增加延遲。這與正常的通過驅動級的傳播延遲不同，是另外加上去的。從高邊向低邊轉換過程中，電平轉換延遲減少的可用死區(qū)時間甚至更多，但實際上對低邊向高邊轉換有利，增加了可用的死區(qū)時間。大多數(shù)驅動會想辦法把匹配的總延遲限制在幾納秒內，但是要把用T_LSH表示的差值考慮進去。