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电源中同步降压转换器的击穿现象介绍

技术文章 2022-07-260电源中同步降压转换器的击穿现象介绍创始人

        什么是同步降压转换器的击穿现象,要怎么解决呢?同步降压转换器广泛用于电源系统,如负载点电源(POL)或使用点电源系统(PUPS)。该同步降压转换器使用高端和低端MOSFET来代替传统降压转换器的钳位二极管,以降低负载电流损耗。

        在设计降压转换器时,工程师经常忽略“故障”的问题。无论何时高端和低端MOSFET同时启动全部或部分时间,都会发生击穿,从而允许输入电压直接将电流传输到地。

        故障导致电流在切换时尖峰,导致转换器不能以最高效率工作。我们不能用电流探头来测量故障,因为探头的电感会严重干扰电路的运行。我们可以检查两个场效应晶体管(FET)的栅极/源极电压,看是否有尖峰。这是检测故障的另一种方法。 (使用差分法可以监视上部MOSFET的栅极/源极电压。)我们可以使用以下方法来减少击穿的发生。

        使用“固定死区时间”的控制器芯片是可行的方法之一。该控制器芯片确保在较低的MOSFET重新启动之前上层MOSFET关闭之前存在延迟。这个方法比较简单,但是在实现的时候要非常小心。如果死亡时间太短,可能无法防止这种现象的崩溃。如果死区时间过长,导通损耗将会增加,因为在整个死区时间内的基础场效应晶体管内置二极管已被激活。由于该二极管在死区时间内导通,因此使用该方法的系统的效率取决于底层MOSFET内置二极管的特性。另一种减少故障的方法是使用具有“自适应死区时间”的控制器芯片。这种方法的优点是可以持续监视上部MOSFET的栅极/源极电压,以确定何时启动下面的MOSFET。当高端MOSFET启动时,通过电感检测在低端MOSFET的栅极发生dv / dt尖峰,从而将栅极电压推高(图4)。如果栅极/源极电压足够高以导通,则会发生击穿。

        自适应死区时间控制器负责监控外部的MOSFET栅极电压。因此,任何新的外部栅极电阻都会将控制器内置的下拉电阻部分分开,使得栅极电压实际上高于控制器监控的电压。通过使用数字反馈电路来检测内置二极管的电导,并调整死区延迟以最大限度地减少内置二极管的导通,以确保最高的系统效率,预测门驱动是另一个可行的解决方案。如果使用这种方法,则需要将更多的引脚添加到控制器芯片中,从而芯片和功率模块的成本将会增加。

        需要注意的是,即使采用预测性栅极驱动,由于dv /dt电感,也不能保证FET不会启动。高边MOSFET的启动延迟也有助于减少击穿条件。尽管这种方法可以减少或完全消除击穿现象,但缺点是开关损耗较高,效率也降低。如果我们选择一个更好的MOSFET,它也将有助于降低出现在底部MOSFET栅极的dv / dt电感器电压幅度。 Cgs和Cgd之间的比率越高,电感电压出现在MOSFET的栅极上越低。分解测试情况往往被忽略。例如,在负载瞬态过程中 - 尤其是在负载减轻或突然减少时 - 控制器不断产生窄频率脉冲。目前,大多数大电流系统是多相设计,使用驱动芯片驱动MOSFET。然而,使用驱动芯片可以使故障问题更加复杂,特别是当负载处于瞬态时。例如,窄带驱动脉冲干扰,加上驱动传播延迟,将导致情况的崩溃。大多数驱动芯片制造商明确规定,控制器的脉冲宽度不得低于某一最低要求。低于这个最低要求,MOSFET的栅极没有脉冲。此外,制造商还增加了驱动芯片的可编程死区时间(TRT)功能,以提高自适应转换时序的准确性。解决方法是添加一个电阻,用于设置可设置的死区时间引脚与地之间的死区时间,以确定高电平和低电平转换期间的死区时间。该死区时间设置加传播延迟在转换期间禁用互补MOSFET,以防止同步降压转换器的击穿。

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