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(zhuǎn)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(shù)的優(yōu)點，甚至使那些過時的設(shè)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(zhuǎn)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(guān)或軟開關(guān)，但目前的大多數(shù)轉(zhuǎn)換器使用零電壓開關(guān)(ZVS)，避免導通時的開關(guān)損耗。功率部分是一樣的，只是需要對器件開啟和關(guān)閉的次序進行調(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穩(wěn)壓，在ZVS模式中還用來開關(guān)低邊MOSFET。硬開關(guān)的橋式整流和升壓轉(zhuǎn)換器對死區(qū)時間沒有嚴格的要求，所有的軟開關(guān)ZVS橋式和同步降壓轉(zhuǎn)換器都必須在類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)時間由控制器或驅(qū)動器進行優(yōu)化。還需要通過檢測柵極驅(qū)動的下降沿或開關(guān)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(shù)，設(shè)法能夠連續(xù)地對延遲進行最優(yōu)的調(diào)整。

　　然而，像這樣的精細調(diào)節(jié)對較高電壓的驅(qū)動器并不實用，設(shè)計者必須回過頭來在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(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)折中也可以擴展到很多其他ZVS拓撲。

　　轉(zhuǎn)換過程

　　首先，軟開關(guān)全橋整流的開關(guān)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(zhuǎn)換過程都是從關(guān)閉高邊MOSFET開始，如圖1所示。在轉(zhuǎn)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(guān)閉Q1，開始轉(zhuǎn)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(guān)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(cè)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換過程結(jié)束。

　　總轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動信號在T_XSR死區(qū)段內(nèi)必須進行切換。不管是自驅(qū)動還是控制驅(qū)動的SSR，次級驅(qū)動脈沖在這兩種情況下都要與初級側(cè)相匹配。唯一的區(qū)別是，在自驅(qū)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(zhuǎn)換過程是不對稱的，因為由集成電路構(gòu)成的柵極驅(qū)動在輸入信號的電平轉(zhuǎn)換過程中會增加延遲。這與正常的通過驅(qū)動級的傳播延遲不同，是另外加上去的。從高邊向低邊轉(zhuǎn)換過程中，電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換有利，增加了可用的死區(qū)時間。大多數(shù)驅(qū)動會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表示的差值考慮進去。