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开关电源兴趣小组 第14次任务 [复制链接]

  第13次思考题
  本次活动主要介绍功率开关管的选择。假定某单端反激变换器已经给定交流市电整流滤波作为开关电源的输入,给定输出直流电压和电流。选择功率开关管电流容量时应该根据交流市电电压变化的最大值还是最小值来选择?选择功率开关管电压容量时应该根据交流市电电压变化的最大值还是最小值来选择?
  
  电子设备中,无论是元件还是器件,选择其极限参数时都必须考虑最恶劣情况。例如工频交流市电整流滤波,因为工频交流市电的电压并不很稳定,电力部门允许电压在一定范围内变化,整流管的耐压和滤波电容的耐压都必须考虑工频交流市电的最大值。反激和正激(包括推挽、半桥、全桥)开关电源功率开关管的选择也是一样,必须考虑最恶劣情况。
  上次思考题中已经给定交流市电整流滤波作为开关电源的输入,此交流市电电压是允许一定变化范围的。我们应该注意到:开关电源输入功率(输入电压乘以输入电流)乘以效率就是输出功率。那么显然在输出功率为一定时,输入电压最低时输入电流最大,通过功率开关管的电流也最大,无论正激还是反激。所以选择功率开关管电流容量时必须根据交流市电电压变化的最小值。同理,选择功率开关管电压容量时必须根据交流市电电压变化的最大值。
  在《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中给出的实际计算例子,输入直流电压要求为90~270V(注意这是直流输入电压,和交流市电电压还不是一回事),最大值和最小值之比达到了3倍。显然,在输入直流电压最低时功率开关管的电压容量有些浪费掉了,而输入直流电压最高时功率开关管的电流容量有些浪费掉了。一般地说,输入电压变化范围越大,对功率开关管容量的要求越高。同样,反激或者正激变压器的设计也要考虑输入直流电压的变化范围,必须从最恶劣情况出发考虑。
  输入电压最大值和最小值之比达到3倍对通常的开关电源电路来说不算困难,对线性稳压电源来说浪费就太大了,效率也相当低。这是开关电源优于线性稳压电源之处。开关电源输入电压最大值和最小值之比达到5~8倍以上,才会变得有些困难,但也不是做不到。
  
  第14次活动,仍然请各位阅读《图灵 精通开关电源设计(第2版)》第7章“最优功率器件选择”和第8章“导通损耗和开关损耗”,以及《开关电源设计 第三版》第9章“MOSFET和IGBT及其驱动电路”
  MOS管门极(栅极)大体上是个电容,门极的直流电阻非常大,大到万用表无法测量。门极驱动信号我们都知道是个矩形波,所以门极驱动电流是个幅度很大的尖峰,而且只在矩形波的上升沿和下降沿出现,脉冲持续时间内(平顶和平底)是没有电流的。这也说明:门极驱动电流的平均值应该是相当小的。
  《开关电源设计 第三版》第9章“MOSFET和IGBT及其驱动电路”9.2.3节举了个MOS管驱动的实例。在那里计算出如果MTH15N20管门极电压在50ns内上升到10V,则门极电流脉冲为0.68A。对高电压下使用的MOS管,门极脉冲电流将更大一些,总之是安培数量级。但若该管工作于50kHz开关频率下(开关周期为20us),其平均电流仅1.7mA(0.68A*50ns/20us)。平均电流是个相当小的数值。所以我们常常可以看到:开关电源的驱动芯片,其最大输出电流往往相当大,例如UC3842芯片最大输出电流可达1A,IR2113更可达2A,但实际工作时芯片平均电流并不大。
  MOS管的驱动方式,可以是:(1)直接耦合方式,也可以是(2)变压器耦合方式。

S14_01.png 图(01)
  图(01)就是典型的直接耦合方式。图(01)复制自UC3842/3/4/5芯片说明书。这是典型的用于交流市电整流供电的反激变换器电路。芯片和功率开关管Q1共地。交流市电上电后,芯片并不工作,耗电很小,不到1mA。交流市电整流后经R2对电容C2C3充电,充电电流相当小,只有1mA左右(另有1mA为芯片供电)。当电容C2C3两端电压达一定数值后,芯片开始工作,当然Q1也开始工作。经过几个PWM周期后,芯片改由变压器的NC绕组供电。也就是说,该电路芯片是由反激电路自身供电的。NC绕组整流后的电压兼作输出电压,与芯片内部基准电压进行比较,实现输出电压的稳定。
  《开关电源设计 第三版》第9章9.2.5节中,也举出了开关电源控制芯片SG1524和UC1525A与功率开关管直接耦合的两个例子。SG1524因为是单端输出,所以不能向功率开关管提供下拉所需要的“灌电流”,使得功率开关管关断不够快。为解决关断不够快的问题,9.2.5节中提供了另加一个分立三极管来提供下拉所需要电流的电路,见该书图9.6(C)。这是个很巧妙的电路,利用MOS管已充电的门极为电源,对门极放电,无须另加电源。
  
  第二种耦合方式是变压器耦合方式。
  图(02)是为驱动单端工作MOS管(正激或者反激)而使用变压器耦合的电路。该电路相当简单,前级是串联推挽输出的两个小功率双极型三极管,其输出信号经电容C为变压器初级供电,变压器次级直接与功率MOS管的门极和源极联接。图中VCC和GND是为串联推挽输出的两个双极型三极管供电的电源,HV-是交流市电整流滤波后的负端。
  变压器耦合,显然很容易实现小功率的驱动电路与大功率的变换电路之间电气上的隔离。

S14_02.png 图(02)
  但是,这样的电路,只适合用于占空比接近0.5且变化不大的情况。
  图(03)是占空比为0.5时变压器次级的理想波形。图中可见,由于变压器不能传输直流,波形在横轴上方的面积必定与横轴下方的面积相等,即图中黄色部分面积与蓝色部分面积相等。于是黄色部分的幅度也与蓝色部分幅度相等。这没有问题:对MOS管门极施加负向电压并不影响MOS管关断。

S14_03.png 图(03)
  但是占空比较大或者较小情况就不一样了。图(04)是占空比为0.75时的波形。由于变压器不能传输直流,占空比改变后仍然要求横轴上面波形面积与横轴下面波形面积相等。

S14_04.png 图(04)
  显然占空比为0.75时,正向脉冲幅度和负向脉冲幅度不等,负向脉冲幅度比正向脉冲幅度大得多。因为正向和负向脉冲幅度之和等于图(02)中VCC与GND之间电压乘以变压器匝数比,所以图(04)中正向脉冲幅度必定小于图(03),而负向脉冲幅度大于图(03)。正向脉冲幅度减小,有可能使功率MOS管驱动不足,不能进入充分导通状态,这将大大增加MOS管功率损耗。负向脉冲幅度增加,有可能击穿MOS门极,因为功率MOS管门极正向和负向耐压大体相同(多数厂家规定不可超过20V)。

S14_05.png 图(05)
  占空比比较小,也会出现类似的问题,只不过占空比较小时是正向脉冲幅度大,负向脉冲幅度小,如图(05)所示。正向脉冲幅度大,同样有可能击穿MOS管门极。
  所以,变压器耦合驱动在单端输出电路中使用得非常非常少,仅见于早期的开关电源,而那时的开关电源往往是使用双极型功率开关管。单端输出的正激和反激变换器,直接耦合占绝大多数。
  但变压器耦合方式可以实现驱动电路和功率开关管的隔离,这一点对半桥和全桥电路非常重要。半桥电路的上管源极电位是变化的,最低接近于高压电源的负端,最高接近于高压电源的正端,而半桥电路的下管源极总是高压电源的负端。所以,半桥电路的上管必须与驱动电路隔离,也与下管隔离。
  图(06)复制于UC1525A说明书。图中驱动变压器两个次级绕组反相联接于上管和下管,初级经一个电容联接到UC1525A的两个输出端。另外,还有两个二极管接在地线与UC1525A两个输出端之间。

S14_06.png 图(06)
  该电路初级绕组两端波形如图(07)。
  图(07)中可以看出:横轴上面波形面积等于横轴下面波形面积(黄色面积等于蓝色面积),没有直流成份。

S14_07.png 图(07)
  由于变压器两个次级接成反相,分别供两个功率MOS管门极,所以两个功率MOS管反相导通,且两个功率MOS管导通之间有一段时间两个功率MOS管均不导通,满足半桥电路的要求。
  之所以波形没有直流成份,是因为两个功率MOS管均不导通也就是驱动变压器初级两端之间电压为零。电压为零是靠UC1525A的A、B两个输出端均为低电平实现的。至于图(06)中串联在变压器初级上的电容充放电,靠A、B两个输出端内部三极管导通到地和外部两个二极管实现。假定串联在变压器初级上的电容已经被充电到左正右负,那么A端内部三极管导通将电容左端接地,而二极管D2也导通,实现电流回路,使得变压器初级两端电压近似为零。反之亦然。
  显然,该变压器驱动电路不存在驱动单端电路时正负幅度不等问题,可以解决半桥或者全桥电路的隔离驱动。
  图(06)是芯片说明书中的典型应用电路,在稍早期的功率MOS管构成的半桥和全桥开关电源中应用相当广泛。
  
  但是,在较近期的半桥和全桥开关电源中,变压器驱动很少用到了。代替变压器驱动的是自举供电的驱动芯片。International Rectifier公司生产了很多种型号的这类驱动芯片,图(08)复制自该公司生产的IR2104芯片说明书,是IR2104典型应用电路。图中红色标注为本文增添。这是直接耦合与变压器耦合以外的第三种耦合方式。

S14_08 IR2104.png 图(08)
  图(08)中,使用了一个二极管D和一个电容C。二极管D和电容C构成了所谓“自举”电路。
  半桥和全桥电路,上管和下管两个功率开关管联接处的A点即上管源极电位是变化的,最低达到接近于地电位(交流市电整流滤波后的负端),最高达到接近于“up to 600V”(交流市电整流滤波后的正端)。而上管门极对源极的电压应该在最低接近于零和最高10V左右之间。最高电压太小了不能使上管充分导通,最高电压太大了会击穿上管门极。所以,上管的驱动电路必须由一个12V左右且随A点电位浮动的电源供电。
  图(08)中标注“up to 600V”处为交流市电整流后的高直流电压。HO为上管驱动信号,LO为下管驱动信号。Vs为上管驱动电路的公共端,上管驱动电路是由VB和Vs引脚引脚供电。
  这类芯片内部集成有耐压高达600V以上的MOS管作为电平移动。上管门极驱动电路之所以能够浮动,正是因为信号电平可以从接近于地变化到接近于交流市电整流滤波后的正端才得以实现。
  交流市电上电后,假定第一个脉冲是供给下管的,那么两个功率MOS管联接处A点电位为低,接近于地(交流市电整流滤波后的负端)。此时电容C下端接近于地,Vcc通过二极管D为电容C充电,电容两端电压接近Vcc(一般为12V左右)。下一个脉冲应该令半桥的上管导通,也就是HO端应该输出。前面已经说过:上管驱动电路是由芯片内部高耐压MOS管实现电平移动的,并且由VB和Vs引脚供电。为VB引脚供电的正是已经充电到Vcc的电容C(此时二极管D关断)。然后两个功率MOS管中应该是下管导通,下管导通后又将电容C下端接地,Vcc通过二极管D为电容C充电。每次上管导通都是靠电容C为上管驱动电路(某些书籍称为高端电路)供电,在此阶段内电容C损失的能量在下管导通期间由二极管D进行补充。电容C就起到了随A点电位浮动的电源的作用。二极管D和电容C起到了将C下端电位由接近于地上举到接近于交流市电整流滤波后的高压,所以二极管D和电容C被称为自举电路。
  如果交流市电上电后由IN端输入的第一个脉冲经芯片内部送到了上管驱动电路,也没有关系:此时上管驱动电路(由VB引脚和Vs引脚供电)没有电源(电容C还没有被充电),上面的功率MOS不会导通。下一个脉冲将使下面的功率MOS管导通,A点接近地电位,Vcc通过二极管D对电容C充电使电容C两端电压接近Vcc,准备再下一个脉冲到来时为上管导通供电。
  这类自举驱动芯片有多种型号,复杂程度当然各不相同。有些芯片仅有一个输入端,输入为高电平则HO输出高电平而LO输出低电平,但具有关断输入端(IR2104即属于这种,关断输入端用于产生“死区”);有些芯片具有两个输入端HIN和LIN,HIN为高则HO输出为高,LIN为高则LO输出为高;有些芯片具有HIN和LIN输入端同时具有关断输入引脚;有些芯片内部具有分频电路,有些甚至内部带有振荡电路;甚至还有具有6个输入端和65个输出端专用于三相桥式电路的高端和低端驱动芯片。这类自举驱动芯片和变压器相比较,体积小,重量轻,容易安装,不易受电磁干扰,所以被广泛使用。该类芯片中各型号的使用方法各不相同,使用前务必仔细阅读该型号芯片说明书。
  严格地说,这种自举驱动并不隔离信号输入端(引脚IN)和半桥功率开关管,所以仍然是直接耦合。但因为使用了电平移动和自举电路,所以我们把这种电路算作第三种耦合方式。
  在《开关电源设计 第三版》第9章“MOSFET和IGBT及其驱动电路”中,提到了直接耦合驱动电路,也提到了变压器驱动电路,但未提到自举供电的驱动芯片。故而本文多谈了一些相关知识。
  
  第14次思考题
  1、图(06)是UC1525A说明书中典型应用电路,变压器T1有两个次级绕组,用于驱动半桥电路。如果要驱动全桥电路,显然变压器应该有四个互相绝缘的次级绕组。这四个次级绕组的相位关系应该是怎样的?
  2、图(08)是IR2104芯片说明书中典型应用电路,该芯片用于驱动半桥电路。用两片IR2104,其信号输入端IN联接在一起,能否驱动四个功率MOS管组成的全桥电路?
  

 


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1、图(06)是UC1525A说明书中典型应用电路,变压器T1有两个次级绕组,用于驱动半桥电路。如果要驱动全桥电路,显然变压器应该有四个互相绝缘的次级绕组。这四个次级绕组的相位关系应该是怎样的?

答:应是两两相反的。就是两对相位相反。
  2、图(08)是IR2104芯片说明书中典型应用电路,该芯片用于驱动半桥电路。用两片IR2104,其信号输入端IN联接在一起,能否驱动四个功率MOS管组成的全桥电路?

答:不能,就是两个半桥,组不成全桥。

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一粒金砂(中级)

本帖最后由 cjjh2014 于 2020-11-24 21:09 编辑

1.比如Q1与Q2一组,Q3与Q4一组,则Q1与Q2所对应的变压器次级绕组相位相反,Q3与Q4所对应的变压器次级绕组相位相反;

2.如果是简单的并联是不能驱动全桥,但如果再加外围电路应该可以用两片实现全桥驱动。


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一粒金砂(中级)

  1、图(06)是UC1525A说明书中典型应用电路,变压器T1有两个次级绕组,用于驱动半桥电路。如果要驱动全桥电路,显然变压器应该有四个互相绝缘的次级绕组。这四个次级绕组的相位关系应该是怎样的?

答:全桥电路中的四个MOS管,对角线上的两个MOS管同时导通和关断,所以四个MOS管对应的四个绕组也是两两相同,并且这两组绕组是反向的
  2、图(08)是IR2104芯片说明书中典型应用电路,该芯片用于驱动半桥电路。用两片IR2104,其信号输入端IN联接在一起,能否驱动四个功率MOS管组成的全桥电路?

答:不能


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纯净的硅(中级)

本帖最后由 hujj 于 2020-11-26 21:20 编辑

1、图(06)是UC1525A说明书中典型应用电路,变压器T1有两个次级绕组,用于驱动半桥电路。如果要驱动全桥电路,显然变压器应该有四个互相绝缘的次级绕组。这四个次级绕组的相位关系应该是怎样的?

答:两对角线的绕组相位相同。


2、图(08)是IR2104芯片说明书中典型应用电路,该芯片用于驱动半桥电路。用两片IR2104,其信号输入端IN联接在一起,能否驱动四个功率MOS管组成的全桥电路?

答:因为两片IR2104的信号输入端联接在一起,其输出是相同的,所以无法驱动全桥电路。


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