簡介

在車輛電氣系統(tǒng)中，高壓到低壓的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種可逆的電子器件，它可以將車輛高壓電池（如 400V 或 800V）輸出的直流電轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓 (12V)。這類轉(zhuǎn)換器可以是單向或雙向的。常見功率級別為 1kW 到 3kW，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器高壓側(cè)（初級側(cè)）通常需要使用額定電壓為 650V 到 1200V 的元件，12V 電源網(wǎng)（次級側(cè)）至少需要 60V。

為實現(xiàn)更高的功率密度和更緊湊的動力總成系統(tǒng)，功率元件的開關(guān)頻率被提升至數(shù)百千赫茲，從而有助于減小磁性元件的體積。高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的小型化暴露出許多在較低開關(guān)頻率下不太突出的設(shè)計問題，例如電磁兼容性 (EMC)、熱耗散，以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的有源鉗位設(shè)計。在本期電源設(shè)計小貼士中，我將討論在高開關(guān)頻率下同步整流 MOSFET 的鉗位電路設(shè)計。

傳統(tǒng)有源鉗位

圖 1 所示的相移全橋 (PSFB) 是一種在高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC 應(yīng)用中非常常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以在開關(guān)管上實現(xiàn)軟開關(guān)，從而提高轉(zhuǎn)換器效率。但同步整流器上仍會出現(xiàn)高電壓應(yīng)力，因為其寄生電容會與變壓器漏感發(fā)生諧振。整流器的電壓應(yīng)力可能高達(dá)公式 1 的值：

方程式 1.

其中 Np 和 Ns 分別表示變壓器的初級繞組和次級繞組。

考慮到高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率等級以及電阻-電容-二極管緩沖電路 [1] 所帶來的功率損耗，設(shè)計人員通常會為同步整流 MOSFET 使用有源鉗位電路。圖 1 展示了典型的鉗位電路設(shè)計。

圖 1 適用于 PSFB 同步整流器 MOSFET 的傳統(tǒng)有源鉗位電路。來源：德州儀器 (TI)

在此原理圖中，您可以看到 P 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體 (PMOS) Q9 和緩沖電容器，它們是有源鉗位電路的主要組成部分。緩沖器電容器的一端連接到輸出扼流圈，PMOS 的源極連接到地。在 PSFB 的傳統(tǒng)有源鉗位電路中，同步整流器 MOSFET Q5 和 Q7 的電路結(jié)構(gòu)相同，Q6 和 Q8 也是一樣。每次同步整流器 MOSFET 關(guān)斷后，PMOS 會在適當(dāng)?shù)难舆t時間后導(dǎo)通。

圖 2 顯示了 PSFB 與有源鉗位的控制方案。您可以很容易地發(fā)現(xiàn) PMOS 的開關(guān)頻率是 fsw 的兩倍。

圖 2 有源鉗位 PMOS Q9 的控制方案，其中 PMOS 的開關(guān)頻率是 fsw 的兩倍。來源：德州儀器 (TI)

評估有源鉗位的損耗

您可以使用公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6 來評估有源鉗位 PMOS 的損耗。除了 Pon_state，其它所有損耗都與 fsw 成正比。當(dāng) PMOS 的開關(guān)頻率加倍時，損耗也會加倍，因此就需要解決 PMOS 的散熱問題。而當(dāng)為了滿足小型化的需求而進(jìn)一步提高 fsw 時，散熱問題會變得更加嚴(yán)重。

建議的有源鉗位

那么，要怎么解決呢？選擇品質(zhì)因數(shù) (FOM) 更優(yōu)的 PMOS，還是選擇導(dǎo)熱系數(shù)更高的導(dǎo)熱硅脂？這兩種辦法都可行，但請記住，有源鉗位產(chǎn)生的熱量仍然集中在一個零件上，這使得問題難以解決。我們能否將這些熱量分散到多個零件上？一種可行的方法是使用兩個有源鉗位電路，并將緩沖器電容器的端子連接到次級橋臂的開關(guān)節(jié)點，如 圖 3 所示。這樣就可以在 Q5 和 Q7 關(guān)閉之后再導(dǎo)通 Q11，在 Q6 和 Q8 關(guān)閉之后再導(dǎo)通 Q10。圖 4 顯示了 PSFB 的控制方案和建議的有源鉗位。

圖 3 適用于 PSFB 同步整流器 MOSFET 的建議有源鉗位電路。來源：德州儀器 (TI)

圖 4 PSFB 的控制方案和建議的有源鉗位。來源：德州儀器 (TI)

當(dāng) Q5 和 Q7關(guān)閉時，Q6 和 Q8 仍然導(dǎo)通。因此，您可以找到 Q5 和 Q7 的鉗位回路，如 圖 3 中綠色箭頭所示。Q10 和 Q11 的開關(guān)頻率都是 fsw，而不是 fsw 的兩倍。

因此，根據(jù)公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6，每個 PMOS 的 Pon_state 將是原來的四分之一，Pturn_on、Pturn_off、Pdrive 和 Pdiode 將是原來的二分之一。顯然，該方法將鉗位電路的損耗分成了兩部分甚至更少，使得解決散熱問題更加容易。

讓我們回到鉗位回路上來。Q5 的環(huán)路比 Q7 更大；它與 Q6 和 Q8 類似。您需要注意同步整流器的布局，以便獲得 Q5 和 Q6 的最小鉗位環(huán)路。

建議的有源鉗位性能

圖 5 和 圖 6 展示了來自德州儀器(TI) GaN HEMT 的高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計中的相關(guān)測試，該設(shè)計采用了建議的在 200kHz 開關(guān)頻率下工作的有源鉗位電路。圖 5 展示了整流器的電壓應(yīng)力。

圖 5 整流器的電壓應(yīng)力，其中 CH1 是整流器的 Vgs，CH2 是整流器的 Vds，CH3 是初級變壓器繞組的電壓，CH4 是初級變壓器繞組的電流。來源：德州儀器 (TI)

CH1 是整流器的 Vgs，CH2 是整流器的 Vds，CH3 是初級變壓器繞組的電壓，CH4 是初級變壓器繞組的電流。當(dāng)輸入電壓為 400VIN、輸出電壓為 13.5VOUT、輸出電流為 250A IOUT 時，整流器的最大電壓應(yīng)力低于 45V。如 圖 6 中所示，在輸入電壓為 400VIN、輸出電壓為 13.5VOUT、輸出電流為 180A IOUT [2] 時，有源鉗位電路的最高溫度為 46.6°C。因此，建議的控制方案能為鉗位用 MOSFET 提供非常良好的熱性能。

圖 6 有源鉗位電路的熱性能，其中在輸入電壓為 400VIN、輸出電壓為 13.5VOUT、輸出電流為 180A IOUT 時，有源鉗位電路的最高溫度為 46.6°C。來源：德州儀器 (TI)

500kHz 有源鉗位無熱管理問題

當(dāng)開關(guān)頻率從 200kHz 提高到 500kHz 時，變壓器體積將縮小約 45% [2]，這有助于提升高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率密度。采用該建議方法后，BOM 成本會略有上升，但設(shè)計人員可以在 500kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行有源鉗位電路而不產(chǎn)生熱問題，從而提升整體性能。鑒于 PMOS 的脈沖漏極電流遠(yuǎn)小于 NMOS，如有需要，設(shè)計人員也可以在有源鉗位電路中使用帶隔離驅(qū)動器和偏置電源的 NMOS。