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2021.11.24 Si功率元件

輕載時切換元件工作相關的注意事項

相移全橋電路的功率轉換效率提升

相移全橋電路中輕載時流過的電流小,LS中積蓄的能量少,所以很有可能在延遲臂的COSS充放電完成之前就開始切換工作。因此,ZVS工作無法執行,很容易發生MOSFET的導通損耗。

另一方面,當超前臂的MOSFET的COSS充放電時,能量透過變壓器被運輸到二次側。參考前面的思路,透過能量收支來考慮ZVS的成立條件時,以Mode(2)為例,假設相移全橋電路的變壓器的匝比為n,則超前臂的ZVS成立條件可用下面的公式來表示。IL2是Mode(1)結束時的IL,EOSS_Q1_Q1和EOSS_Q2分別是完成Q1和Q2的COSS充放電所需的能量。

在實際的電路工作中,需要設定Dead Time來防止上下臂短路。如上所述,在輕載時,延遲臂MOSFET的充放電可能尚未完成,即可能會有汲極電壓VDS殘留(成為硬切換),因此,在某些Dead Time的設定,可能會導致延遲臂MOSFET的導通損耗增加。因此,在設定Dead Time時需要注意這一點。

下圖是在Dead Time最佳化和未最佳化情況下導通時的示意圖。

PSFD回路、Dead Timeを最適化している場合と最適化していない場合の、ターンON時の概略図

在Dead Time未最佳化的情況下,會瞬間流過很大的汲極電流ID。這是由於受到了兩種電流的影響:第一種是閘極-汲極間電容CGD和閘極-源極間電容CGS的電容比,導致閘極-源極間電壓VGS超過了閾值電壓,從而引起的直通電流;另一種是對應橋臂MOSFET的COSS的充電電流。其中,後者COSS的充電電流在硬切換工作時一定會產生,但前者的直通電流則可以透過設定MOSFET的CGD和CGS的適當電容比來防止。因此,選擇CGD和CGS的電容比適當的MOSFET很重要。

重點:

・輕載時,電流小,LS中積蓄的能量少,因此很有可能在COSS的充放電完成之前就開始切換工作,致使ZVS工作無法執行,容易發生MOSFET的導通損耗。

・COSS的充放電未完成可能會導致VDS殘留,因此需要設定適當的Dead Time來防止上下橋臂短路引起的直通電流。

・MOSFET的CGD和CGS的某些電容比可能會導致流過直通電流,因此選擇該電容比適當的MOSFET很重要。

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