反激式电源为什么上电最容易烧MOS管？

电子设计联盟 · 发表于 2024-11-26 11:10:00

大家好，这里是大话硬件。
这篇文章总结一下最近在研究的反激电源RCD吸收回路和VDS尖峰问题。这也是为什么MOS管在开机容易被电压应力击穿的原因。
下图是反激电源变压器部分的拓扑。

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在MOS开通时，VDS上电压：

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由于Rdson比较小，MOS开通时，VDS电压也较小。此时，MOS漏极电压应力较小。
然而，MOS关断时，此时漏极会承受较大电压应力，因此会在变压器初级绕组上增加RCD吸收电路，用来吸收较大尖峰电压，防止MOS因电压应力出现雪崩击穿。
于是，在电路中经常看到这种方案。当然还有多种类型变种，如使用TVS或者稳压管，无论是哪种方案类型，本质都是吸收MOSFET关断时尖峰电压。

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尖峰产生原因主要来自变压器漏感，而漏感来源有两种途径：
（1）来源于变压器本体，在骨架上绕线时，绕线疏密程度，分层绕组还是多组并绕制，这些不同的绕制方式，漏感均存在差异；如下图中红色和蓝色绕线。

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（2）来源于变压器骨架焊接脚和线圈之间的线缆，变压器线圈和骨架之间需要浸锡并焊接成型，如果绕线离变压器骨架管脚较远，则有较长的线缆并未和磁芯耦合。为了减少这部分漏感，贴片比直插就存在明显的优势。

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以上两种情况如果变压器厂家设计比较差，则变压器漏感比较大，那么漏感为什么会产生尖峰呢？
用下面模型，可以从能量角度理解。

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反激式开关电源不能用在大功率电源中，主要是变压器体积和功率限制。在MOS开通时，变压器需要存储能量，在MOS关断时才释放，因此，能量传递到后级的大小和变压器紧密相关。
同时，由于变压器是磁芯器件，还存在饱和风险，因此反激变压器还要考虑变压器磁芯复位，占空比不能太大，磁芯要留气隙，多种因素导致反激不适合用在大功率电源中。
正是因为上面原理，反激式开关电源只能在MOSFET关断时传递能量，而初级绕组向次级传递能量主要靠变压器骨架内包裹的磁芯。变压器存在漏感，这部分漏感不会和磁芯产生耦合。另外，还有一些磁场并不会乖乖的通过磁芯向次级传递能量，而是在空气中形成闭合路径。
所以，MOSFET关断时，总有一部分能量会因为无法传递而表现出较高电压来维持开通时状态，这就出现了尖峰电压。

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即使漏感能量很低，但是dt在ns级别，因此，还是会感应出较高的电动势。

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下面详细分析RCD电路工作过程。
第一步：上电，此时芯片还未输出PWM，C电容充电到Vbus

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用下面的反激式电源进行仿真验证

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设定漏感为1uH

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上电启动时探针RCD的波形，从波形可以看出，系统刚上电时，芯片还未工作，此时MOSFET没有动作，VC等于输入电压60V。理论和实际相符合。

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第二步：芯片达到工作电压，开始输出PWM，开关导通，此时变压器开始电感电流上升，漏感电流也上升，在MOS开通后，Coss电容已经放电完成

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因为刚上电VC电压已经达到60V，在MOS开通时，VDS=0V，此时VC电压明显高于VDS，所以此时二极管反偏截止，Coss通过MOS放电，变压器初级绕组和漏感开始积累能量。
第三步：开关关闭，漏感中的能量无法传递到次级，漏感会产生下正上负的电压，此时VDS的电压开始上升

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在VDS电压上升初期，VC的电压等于Vbus，此时二极管一直是关断的，但是当副边二极管开通后，反射到原边的电压Vor和漏感的电压Vk会使VDS的电压超过Vbus，注意，电容Vc的电压是叠加在Vbus上，也就是VC在超过后该电压后，二极管才开通。
第四步：当VDS的电压大于VIN+Vc电容中的电压时，此时二极管开始导通，漏感和副边反射过来的电压VOR+Vbus+Vk给C充电，一直充电到最大值VDS出现" i( m4 n" n% P5 V

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此时，因为漏感中的能量在不断给C充电，Coss充电，所以，VDS的电压会不断增加，直到漏感中的能量消耗殆尽，VDS的电压达到尖峰电压的最大值。
第五步：此时漏感中的能量消耗殆尽，漏感电压0，此时VDS的电压开始下降，二极管会因为反偏而截止，此时电容C对电阻放电，Coss的能量开始给漏感充电

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此时coss给漏感充电，VDS的电压开始下降，当coss电容放电结束后，此时VDS的电压肯定比Vbus+Vor+Vk小，而后漏感中的能量又会给coss充电，此时Vk感应电压为下负上正，此时：

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第六步：当漏感中的能量消耗完毕后，此时电容又会反过来给漏感充电，漏感和coss电容来回充放电，形成了振荡的波形，直到消耗完漏感的能量

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当然，从Vds电压由峰值电压下降后，电容C就通过R在消耗，C上的电压也会慢慢降低，二极管一直处于关闭状态。
第七步：漏感没能量后，此时VDS被钳位在VBUS+VOR电压

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第八步：开关管一直处于关闭状态，次级一直在消耗能量，当变压器中的能量全部消耗完毕后，此时VDS的电压被箝位在Vbus

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第九步：当初级绕组和副边绕组的能力都消耗完，此时coss又会给初级绕组充电，初级绕组和coss也形程振荡

第十步：开关管开通，此时VDS又开始上升，重复上面的过程

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如果将上面的VDS的波形画出来，如下图

仿真查看电容C上的电压，在刚上电后

稳定状态时，VGS为低，MOS关断，VDS电压达到最大，此时电容吸收能量，而后并联的电阻消耗能量。

将RC的电阻改为10K后，MOS关断时，R消耗的能量增加，电容的电压下降更多，但是R不能太小，否则损耗增加，整机效率降低，而且电阻会发热。

根据上述的波形可知，RCD的电阻最大值出现在VDS的最大值，此时因为RCD吸收电路的C几乎充满了，已经无法再继续充电了，因此VDS的尖峰电压其实只是在前面的周期中被有效吸收，而在后续周期内，RCD吸收效果大打折扣。

经过对上述RCD吸收电路和VDS电压波形的分析，可以得出几个结论：
1、反激电源在上电时最容易烧坏MOS，因为上电初期，要给后级负载充电，此时初级绕组中的电流比较大，漏感感应电动势较大。上电初期VDS会从小达到最大时值，当系统稳定后，VDS的电压会大大降低。
2、RCD吸收电路在上电启动期间，并不是每个周期吸收一样的能量，但是会消耗同样的能量，当电容C的电量快充满时，吸收效果就并不明显，而此时也会使VDS达到最大值。
3、RCD吸收电路的R越小，电容C上的电压下降越快，但是R太小，会导致多余的能量消耗在电阻上，会影响效率。
4、RCD吸收电路的C越小，吸收效果很差，一下就将电容C充满，VDS达到最大值变更快，MOSFET的漏极承受的电压应力值更大，时间更长，更容易烧MOS管。
5、RCD的二极管反向恢复时间越快越好，能快速在尖峰电压达到时，二极管从反偏到正偏，吸收尖峰能量，箝位电压。
6、MOS管漏极承受的电压应力在开机启动时最大，需要注意VDS耐压值和尖峰电压之间的裕量，确保MOS管正常工作。
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