MOS管鉗位電壓計算及MOSFET鉗位電路工作原理-KIA MOS管

MOS管鉗位電壓計算

MOS管鉗位，在開關電源中，每當MOS管有導通變為截止時，都會產生一個尖峰電壓，尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感；在開關管截止時，連同輸入電壓Ui和感應電壓UoR一起疊加在MOS管上，如果MOS管沒有足夠大的耐壓值，那么就會損壞MOS。

MOS管鉗位，在我們計算鉗位電壓，需要了解以下幾個參數：

直流輸入最大電壓：Uimax

一次繞組感應電壓：UoR

鉗位電壓：Ub

鉗位電壓最大值：Ubmax

MOS漏極最大電壓：Udmax

MOS擊穿電壓：U（br）ds

我們以簡單的TOPswitch系列來說明:

TOPswitch系類單片機開關電源,MOS管的U（br）ds電壓一般大于等于700V左右，我們現在取700V來計算。感應電壓UoR為135V；因為瞬態電壓抑制器TVS電壓會隨溫度的升高而升高，所以我們都是以1.4倍來計算，也就是說Ubmax=1.4*Ub；而Ub呢，我們通常使用1.5倍的感應電壓來計算，即：Ub=1.5*UoR;所以：MOS漏極最大電壓為：Uimax+1.4*1.5*Ub=625V

MOS管鉗位

反激式電源中MOSFET的鉗位電路

MOS管鉗位，輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓撲結構。這種電源成本較低，使用一個控制器就能提供多路輸出跟蹤，因此受到設計師們的青睞，且已成為元件數少的AC/DC轉換器的標準設計結構。不過，反激式電源的一個缺點是會對初級開關元件產生高應力。

反激式拓撲結構的工作原理，是在電源導通期間將能量儲存在變壓器中，在關斷期間再將這些能量傳遞到輸出。反激式變壓器由一個磁芯上的兩個或多個耦合繞組構成，激磁能量在被傳遞到次級之前，一直儲存在磁芯的串聯氣隙間。

實際上，繞組之間的耦合從不會達到完美匹配，并且不是所有的能量都通過該氣隙進行傳遞。少量的能源儲存在繞組內和繞組之間，這部分能量被稱為變壓器漏感。開關斷開后，漏感能量不會傳遞到次級，而是在變壓器初級繞組和開關之間產生高壓尖峰。此外，還會在斷開的開關和初級繞組的等效電容與變壓器的漏感之間，產生高頻振鈴(圖1)。

MOS管鉗位

如果該尖峰的峰值電壓超過開關元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會導致破壞性故障。此外，漏極節點的高幅振鈴還會產生大量EMI。對于輸出功率在約2W以上的電源來說，可以使用鉗位電路來安全耗散漏感能量，達到控制MOSFET電壓尖峰的目的。

鉗位的工作原理

鉗位電路用于將MOSFET上的電壓控制到特定值，一旦MOSFET電壓達到閾值，所有額外的漏感能量都會轉移到鉗位電路，或者先儲存起來慢慢耗散，或者重新送回主電路。鉗位的一個缺點是它會耗散功率并降低效率，因此，有許多不同類型的鉗位電路可供選擇(圖2)。有多種鉗位使用齊納二極管來降低功耗，但它們會在齊納二極管快速導通時增加EMI的產生量。RCD鉗位能夠很好地平衡效率、EMI產生量和成本，因此為常用。

MOS管鉗位

鉗位

RCD鉗位的工作原理為：MOSFET關斷后，次級二極管立即保持反向偏置，勵磁電流對漏極電容充電(圖3a)。當初級繞組電壓達到由變壓器匝數所定義的反射輸出電壓(VOR)時，次級二極管關斷，勵磁能量傳遞到次級。漏感能量繼續對變壓器和漏極電容充電，直到初級繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

MOS管鉗位

Vc=鉗位電壓

此時，阻斷二極管導通，漏感能量被轉移到鉗位電容(圖4a)。經由電容吸收的充電電流將漏極節點峰值電壓鉗位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉移后，阻斷二極管關斷，鉗位電容放電到鉗位電阻，直到下一個周期開始(圖4b)。通常會添加一個小電阻與阻斷二極管串聯，以衰減在充電周期結束時變壓器電感和鉗位電容之間產生的任何振蕩。這一完整周期會在鉗位電路中造成電壓紋波(稱為VDELTA)，紋波幅度通過調節并聯電容和電阻的大小來控制。

MOS管鉗位