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MOS管在高頻直流穩壓電源應用概述(二):米勒振蕩

引出了米勒振蕩,可以這么講,在高頻直流穩壓電源設計中,米勒振蕩是一個很核心的一環,尤其是超過100KHz以上的頻率,而作者是做超高頻感應加熱高頻直流穩壓電源的,工作頻率在500K~1MHz范圍,功率大于5KW,拓撲結構是LLC電路,H橋輸出,此外為了實現功率線性可調節,采用40Hz PWM調制,可以理解為H橋以25mS為周期,不停的開始,關閉,而因為感應加熱設備的負載是并聯LC諧振環,這樣每一次的開始等價于輸出短路,所以開始的10來個周期的高頻脈沖波形特別難看,米勒振蕩很嚴重,如下圖(Infineon C6 MOS管波形):

MOS管在高頻直流穩壓電源應用概述(二):米勒振蕩

大家知道Si MOS的Vgs電壓工作范圍為正負20V,超過這個電壓,柵極容易被擊穿,所以在米勒振蕩嚴重的場合,需要加限壓的穩壓二極管,一般采用15V穩壓二極管,有些采用15V的TVS管,響應速度快,但是TVS管相比穩壓二極管來說,精度比較差,一致性不是很強,一般情況下還是推薦用穩壓二極管。

MOS管在高頻直流穩壓電源應用概述(二):米勒振蕩

上圖為MOS管GS之間并聯了穩壓二極管,實現15V驅動電壓鉗制。穩壓二極管一般用于米勒振蕩嚴重的場合,尤其是頻率特別高的,對于波形良好的軟開關,或者振蕩不明顯的硬開關,不需要穩壓二極管鉗制。


米勒振蕩若只是引起GS絕緣層擊穿,那么加穩壓二極管很容易解決,問題的關鍵在于,米勒振蕩往往引起二次開關,也就是說,導通了又關閉又導通,多次開關,多次開關帶來的直接效應,就是開關損耗急劇提升。


在高頻開關中,MOS管的損耗分為導通損耗和開關損耗兩種,導通損耗也就是通常所說的DS兩極導通后的歐姆熱損耗,然而在特別高的高頻下,導通損耗是次要的,開關損耗上升為主要矛盾,所謂開關損耗就是從關閉到導通,或者從導通到關閉,因為這個0->1, 1->0的過程中,有高壓,又有電流,所以這個損耗很大,最早開關高頻直流穩壓電源都是采用硬開關的,而開關損耗在硬開關中表現突出,此外開關損耗因為有高的電壓和強的電流,瞬間功率很高,比如電壓310V,開關時中間電流假設為10A,則瞬間功率就有3100W,沖擊性很強,容易導致MOS管局部損傷,所以為了解決硬開關,引入了零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)的軟開關技術,然而雖然軟開關技術很好的解決了開關損耗問題,但是開關損耗還是存在,只是大大降低了,但是米勒振蕩的多次開關,又提升了開關損耗。


米勒振蕩若只是以上兩點問題,那還不是問題的根本,最最讓設計者頭疼的是,在大功率拓撲結構中廣泛使用的H橋,米勒振蕩會存在一種可能,那就是上下管子恰好在某同一時刻導通,若導通的時間略長一些,則引起上下管子通過的瞬間電流巨大,因為MOS管的內阻都很小,只有百毫歐級別,當310V除以百毫歐姆電阻,產生的瞬間電流都在上百A,哪怕因為布線存在電感,實際這個電流小一些,但這個瞬間產生的功率還是巨大的,假設瞬間100A,則瞬間功率31000W,這么強的瞬間沖擊,很容易讓功率管損傷甚至燒壞而炸機。很多時候,短時間在公司測試OK,甚至十來天都OK,功率管溫度也不高,但是一到客戶哪兒就出問題,往往跟這個有關。


總結以上,米勒振蕩引起三個問題:


1、擊穿GS電壓,引入穩壓二極管鉗制。

2、二次開關,引入軟開關。

3、上下管子導通,頭大,斗爭的重點,下一節講。


下圖為仿真的MOS管驅動波形,大家可以看到里面有一個米勒振蕩,信號源為10V,100KHz

MOS管在高頻直流穩壓電源應用概述(二):米勒振蕩

米勒振蕩的本質是因為在高壓和高速開關下,注意是高壓和高速開關下,MOS管在高壓高速開關下,就是一個典型的高增益負反饋系統,負反饋特別嚴重(上一節講到MOS管就是反相器),高增益負反饋很容易引起振蕩,尤其是反饋還是電容,又引入了相位移動,反饋相位接近270度。負反饋180度是穩定點,360度是振蕩點,270度處于穩定與振蕩點之間,所以強的負反饋會表現為衰減式振蕩。(通俗的理解:輸入因為有電感和電阻的限流,高壓下反饋突變信號通過電容,因為不平衡引起振蕩,這個類似熱水器的溫控PID。)

相同條件下,低壓下因為負反饋沒有這么劇烈,所以米勒振蕩會很小,一般高頻高頻直流穩壓電源先用低壓100V測試,波形很好,看不到米勒振蕩,但是到了300V,波形就變差了。

圖片加載中...

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