淺談減少擊穿現(xiàn)象

王洪媛，李雪蓮，陳新欣，李志華

(天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 301802)

1 擊穿現(xiàn)象

負(fù)載點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)(POL)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)(PUPS)等系統(tǒng)都廣泛采用同步降壓轉(zhuǎn)換器。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器采用高端幾低端的MOSFET取代傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的箝位二極管，以便降低負(fù)載電流的損耗。

工程師設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)經(jīng)常忽視“擊穿”的問(wèn)題。每當(dāng)高端及低端MOSFET同時(shí)全面或局部啟動(dòng)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地。2004年天津市爾王莊管理處對(duì)暗渠勵(lì)磁柜進(jìn)行了改造。運(yùn)行人員經(jīng)過(guò)多次觀察和研究，對(duì)“擊穿”現(xiàn)象提出了幾點(diǎn)改造意見(jiàn)。

擊穿現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電流在開(kāi)關(guān)的一瞬間出現(xiàn)尖峰，令轉(zhuǎn)換器無(wú)法發(fā)揮其最高的效率。我們不可采用電流探頭測(cè)量擊穿的情況，因?yàn)樘筋^的電感會(huì)嚴(yán)重干擾電路的操作。我們可以檢查兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的門極/源極電壓，看看是否有尖峰出現(xiàn)。這是另一個(gè)檢測(cè)擊穿現(xiàn)象的方法。上層MOSFET的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監(jiān)測(cè)。

2 我們可以利用以下的方法減少擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)

2.1 采用設(shè)有“固定死區(qū)時(shí)間”的控制器芯片

這種控制器芯片可以確保上層MOSFET關(guān)閉之后會(huì)出現(xiàn)一段延遲時(shí)間，才讓下層MOSFET重新啟動(dòng)。這個(gè)方法較為簡(jiǎn)單，但真正實(shí)行時(shí)則要很小心。若死區(qū)時(shí)間太短，可能無(wú)法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。若死區(qū)時(shí)間太長(zhǎng)，電導(dǎo)損耗便會(huì)增加，因?yàn)榈讓訄?chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時(shí)間內(nèi)一直在啟動(dòng)。由于這個(gè)二極管會(huì)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電，因此采用這個(gè)方法的系統(tǒng)效率便取決于底層MOSFET的內(nèi)置二極管的特性。

2.2 采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間”的控制器芯片

采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間”的控制器芯片，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不斷監(jiān)測(cè)上層MOSFET的門極/源極電壓，以便確定何時(shí)才啟動(dòng)底層MOSFET。高端MOSFET啟動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)電感感應(yīng)令低端MOSFET的門極出現(xiàn)dv/dt尖峰，以致推高門極電壓。若門極/源極電壓高至足以將之啟動(dòng)，擊穿現(xiàn)象便會(huì)出現(xiàn)。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測(cè)MOSFET的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會(huì)分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實(shí)際上會(huì)比控制器監(jiān)控的電壓高。

2.3 預(yù)測(cè)性門極驅(qū)動(dòng)

此辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測(cè)內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間延遲，以便將內(nèi)置二極管的導(dǎo)電減至最少，確保系統(tǒng)可以發(fā)揮最高的效率。若采用這個(gè)方法，控制器芯片需要添加更多引腳，以致芯片及電源模塊的成本會(huì)增加。

要注意，即使采用預(yù)測(cè)性門極驅(qū)動(dòng)，也無(wú)法保證場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)因?yàn)閐v/dt的電感感應(yīng)而啟動(dòng)。

2.4 延遲高端MOSFET的啟動(dòng)

延遲高端MOSFET的啟動(dòng)也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個(gè)方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象，但缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗較高，而效率也會(huì)下降。我們?nèi)暨x用較好的MOSFET，也有助縮小出現(xiàn)在底層MOSFET門極的dv/dt電感電壓振幅。Cgs與Cgd之間的比率越高，在MOSFET門極上出現(xiàn)的電感電壓便越低。

擊穿的測(cè)試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過(guò)程中——尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或突然減少時(shí)——控制器會(huì)不斷產(chǎn)生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統(tǒng)都采用多相位設(shè)計(jì)，利用驅(qū)動(dòng)器芯片驅(qū)動(dòng)MOSFET。但采用驅(qū)動(dòng)器芯片會(huì)令擊穿問(wèn)題更為復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過(guò)程之中。例如，窄頻驅(qū)動(dòng)脈沖的干擾，再加上驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)傳播延遲，都會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。

大部分驅(qū)動(dòng)器芯片生產(chǎn)商都特別規(guī)定控制器的脈沖寬度必須不可低于某一最低的要求，若低于這個(gè)最低要求，便不會(huì)有脈沖輸入MOSFET的門極。

3 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)商也為驅(qū)動(dòng)器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時(shí) (TRT)的功能，以增強(qiáng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時(shí)的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時(shí)間引腳與接地之間加設(shè)一個(gè)可用以設(shè)定死區(qū)時(shí)間的電阻，以確定高低端轉(zhuǎn)換過(guò)程中的死區(qū)時(shí)間。這個(gè)死區(qū)時(shí)間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過(guò)程中的互補(bǔ)性MOSFET關(guān)閉，以免同步降壓轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)擊穿情況。