在ZVS拓?fù)渲羞x擇最優(yōu)的死區(qū)時(shí)間

　　摘要：通過(guò)本文的分析來(lái)優(yōu)化中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫褂脮r(shí)的死區(qū)時(shí)間，能夠幫助工程師發(fā)現(xiàn)各種器件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，甚至使那些過(guò)時(shí)的設(shè)計(jì)方案也能達(dá)到更好的性能。

　　中壓和高壓功率MOSFET在各種隔離式轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲斜粡V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(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)，但目前的大多數(shù)轉(zhuǎn)換器使用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，避免導(dǎo)通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。功率部分是一樣的，只是需要對(duì)器件開(kāi)啟和關(guān)閉的次序進(jìn)行調(diào)整。在寬輸入電壓DC-DC磚式轉(zhuǎn)換器里，同步降壓轉(zhuǎn)換器一般用于前端預(yù)穩(wěn)壓，在ZVS模式中還用來(lái)開(kāi)關(guān)低邊MOSFET。硬開(kāi)關(guān)的橋式整流和升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)死區(qū)時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格的要求，所有的軟開(kāi)關(guān)ZVS橋式和同步降壓轉(zhuǎn)換器都必須在類(lèi)似的限制條件下工作。在低壓同步降壓轉(zhuǎn)換器中，在低邊和高邊MOSFET之間轉(zhuǎn)換的死區(qū)時(shí)間由控制器或驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化。還需要通過(guò)檢測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)的下降沿或開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)器件采取防止共通的措施。此外，還有一些更加復(fù)雜的技術(shù)，設(shè)法能夠連續(xù)地對(duì)延遲進(jìn)行最優(yōu)的調(diào)整。

　　然而，像這樣的精細(xì)調(diào)節(jié)對(duì)較高電壓的驅(qū)動(dòng)器并不實(shí)用，設(shè)計(jì)者必須回過(guò)頭來(lái)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中采用固定的死區(qū)時(shí)間。由于長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致體二極管的導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)，進(jìn)而損失效率，人們總是期望有一種辦法，在不進(jìn)入共通保護(hù)的條件下，能夠提供優(yōu)化的最小死區(qū)時(shí)間。這要求對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程有深入細(xì)致的了解，根據(jù)MOSFET和電路的參數(shù)，計(jì)算不同的時(shí)間間隔。當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)延遲，而且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)條件是常常能夠達(dá)到的，這時(shí)有必要對(duì)變化過(guò)程進(jìn)行分析，選擇能實(shí)現(xiàn)最高效率的合適器件。為說(shuō)明這個(gè)分析過(guò)程，在本文中我們將使用一個(gè)軟開(kāi)關(guān)全橋整流，每個(gè)橋臂的滿占空比為50%。這個(gè)拓?fù)湟脖环Q為直流變壓器，在48V直流輸入、非穩(wěn)壓中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)輸出的產(chǎn)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(kuò)展到很多其他ZVS拓?fù)洹?/p>

　　轉(zhuǎn)換過(guò)程

　　首先，軟開(kāi)關(guān)全橋整流的開(kāi)關(guān)順序有幾種不同方式，每種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺陷。一個(gè)特別的順序是，每個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程都是從關(guān)閉高邊MOSFET開(kāi)始，如圖1所示。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，流經(jīng)不同器件的電流流向如圖2a到圖2e所示。開(kāi)始階段，Q1和Q4導(dǎo)通，能量輸送到負(fù)載(圖2a)。關(guān)閉Q1，開(kāi)始轉(zhuǎn)換，Q1的電流流向體二極管Q2(圖2b)。間隔的持續(xù)時(shí)間是Tdt。

　　當(dāng)Q完全關(guān)閉，Q2以零過(guò)流的方式導(dǎo)通。然后是很短的一段時(shí)間(TXSR)，在這段時(shí)間里，變壓器的初級(jí)側(cè)對(duì)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(zhuǎn)換器里，通過(guò)改變TXSR來(lái)實(shí)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(guò)TXSR延遲后，Q4關(guān)閉，生磁電流流向Q3(圖2d)。經(jīng)過(guò)另一段時(shí)間間隔Tdt(圖2e)后，Q3以ZVS方式導(dǎo)通，轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。

　　總轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算公式T_trans = 2×T_dt + T_XSR

　　間隔時(shí)間T_XSR對(duì)初級(jí)轉(zhuǎn)換并不重要，理論上這個(gè)時(shí)間可以為零。然而，次級(jí)同步整流器要求有一個(gè)最小的間隔時(shí)間。如果輸出整流器被替換成同步MOSFET，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)在T_XSR死區(qū)段內(nèi)必須進(jìn)行切換。不管是自驅(qū)動(dòng)還是控制驅(qū)動(dòng)的SSR，次級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖在這兩種情況下都要與初級(jí)側(cè)相匹配。唯一的區(qū)別是，在自驅(qū)動(dòng)方案中，T_XSR要更高一些，因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)的上升和下降時(shí)間要長(zhǎng)得多。要考慮的另一個(gè)因素是，從高邊→低邊和從低邊→高邊，轉(zhuǎn)換過(guò)程是不對(duì)稱的，因?yàn)橛杉呻娐窐?gòu)成的柵極驅(qū)動(dòng)在輸入信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)增加延遲。這與正常的通過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)的傳播延遲不同，是另外加上去的。從高邊向低邊轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電平轉(zhuǎn)換延遲減少的可用死區(qū)時(shí)間甚至更多，但實(shí)際上對(duì)低邊向高邊轉(zhuǎn)換有利，增加了可用的死區(qū)時(shí)間。大多數(shù)驅(qū)動(dòng)會(huì)想辦法把匹配的總延遲限制在幾納秒內(nèi)，但是要把用T_LSH表示的差值考慮進(jìn)去。