半桥高端MOS的死区时间后上管体二极管反向恢复导致的尖峰电流详解
半桥高端MOS的死区时间后上管体二极管反向恢复导致的尖峰电流详解
在电力电子领域，半桥电路是一种常见的拓扑结构，广泛应用于各种电源转换系统中。然而，在实际应用中，由于死区时间的存在，高端MOSFET的体二极管反向恢复效应可能会导致尖峰电流问题，影响系统性能和可靠性。本文将详细探讨这一现象及其解决方案。
半桥配置中的死区时间
半桥结构
半桥配置通常包含一个高端MOSFET和一个低端MOSFET，用于控制负载电流的流向。在PWM（脉宽调制）控制的情况下，这两个MOSFET交替导通。
死区时间
死区时间是指在高端MOSFET关断后和低端MOSFET导通前的时间段。在此期间，由于高端MOSFET已经关断，而低端MOSFET尚未导通，电流通过高端MOSFET的体二极管（反向导通的二极管）进行续流。
反向恢复效应
体二极管续流
当高端MOSFET关断时，电流会继续流动通过其体二极管。在死区时间结束后，低端MOSFET开始导通，此时高端MOSFET的体二极管会经历反向恢复，释放储存的电荷。
负向电流尖峰
高端MOSFET的反向恢复会引起瞬时负向电流尖峰，这会通过低端MOSFET流动，导致低端MOSFET的导通损耗增加。这种负向电流尖峰不仅增加了能量损耗，还可能影响系统的稳定性。
导通损耗和电压应力
导通损耗增加
由于低端MOSFET在高端MOSFET的反向恢复期间会经历瞬时的负向电流，这会导致其导通损耗增加，从而影响整体系统的效率。
电压上升率和尖峰
在高端MOSFET关断的瞬间，电压会快速上升，形成高电压尖峰。如果这种电压尖峰超出了MOSFET的额定值，可能会导致器件过应力，缩短其使用寿命或导致器件损坏。
解决方案
为了减轻上述问题，设计时可以考虑以下方法：
- 优化死区时间：合理选择死区时间，以减少负向电流尖峰的影响，平衡开关损耗和导通损耗。
- 使用快速恢复二极管：在高端MOSFET的体二极管附近使用快速恢复二极管，可以减少反向恢复时间和电荷，从而减轻负向电流尖峰。
- 改善MOSFET的选择：选择具有较低反向恢复电荷的MOSFET，或者使用专为降低导通损耗和反向恢复特性而设计的MOSFET。
实例分析：560W DC-DC变换器中的半桥配置
假设我们设计一个560W的DC-DC变换器，使用半桥拓扑结构来实现电压转换。该变换器的工作频率为100 kHz，使用了两个N沟道MOSFET：高端MOSFET（M1）和低端MOSFET（M2）。
死区时间设定
死区时间设定为200 ns。此时间段在高端MOSFET（M1）关断后，低端MOSFET（M2）导通之前，电流通过高端MOSFET的体二极管续流。
反向恢复效应
- 高端MOSFET（M1）关断时，电流流经M1的体二极管（D1）。此时，D1继续导通，提供负载所需的电流。
- 在200 ns的死区时间结束后，M2导通。此时，由于M1的体二极管D1在关断过程中储存了一定的反向恢复电荷（Qrr），此电荷在M2导通时会释放，导致负向电流尖峰。
导通损耗增加
- 负向电流尖峰假设反向恢复电荷为300 nC。这个电荷的释放导致M2在导通瞬间经历了一个负向电流尖峰，可能达到数安培的瞬时值。
- 导通损耗由于该负向电流尖峰的影响，M2的导通损耗（Pcon）增加。例如，如果M2的导通电阻为10 mΩ，负向电流尖峰为5A，则损耗可以计算为：
电压上升率和尖峰
- 电压上升率当M1关断时，电压会快速上升。例如，M1的漏极电压从0V跃升至600V（假设变换器的输出电压为600V）。由于开关速度非常快，可能导致电压上升率（dv/dt）非常高，如1000V/μs。
- 电压尖峰这种快速上升可能导致高电压尖峰，超出MOSFET的额定值，造成过应力。如果M1的额定电压为700V，过大的电压尖峰可能会导致器件损坏。
解决方案
为了解决上述问题，可以采取以下措施：
- 优化死区时间可以将死区时间缩短到150 ns，以减少负向电流尖峰的持续时间，降低对M2的损害。
- 使用快速恢复二极管选择快速恢复二极管代替MOSFET的体二极管，降低反向恢复时间，减小反向恢复电荷，从而减少负向电流尖峰。
- 选择合适的MOSFET选择具有较低的反向恢复电荷（如200 nC）和较高的额定电压（如800V）的MOSFET，以确保系统的稳定性和可靠性。
总结
通过上述示例，我们可以看到，在半桥配置中，死区时间的选择和高端、低端MOSFET的特性对于系统性能至关重要。合理的设计和优化可以有效减少导通损耗和电压应力，提高系统的整体效率和可靠性。