【龙腾DIY】详细解析推挽升压变换器之尖峰处理

很多人都玩过推挽，在国内逆变行业无处没有它的身影，最多的还是车载逆变器。由于其电路简单，功率管数量少，占用PCB空间也少。但其推挽所选功率管需要2倍输入电压特性，在低压大电流点路中再合适不过，也成为逆变电源工程师设计之首选。
正是因为看似简单的一个拓扑，确让很多设计师望而却步，因为推挽有一个最头疼的问题，电压尖峰。
通常推挽拓扑中功率管选用都是MOSFET，而MOSFET失效最多原因往往不是电流而是电压，这正是由于推挽变换器漏感所致。这就迫使设计师不得不降低变压器漏感，选用更高耐压功率管，甚至加入各种吸收电路来满足设计要求，但是却发现都不能从根本上解决问题。

下面我们研究一下电压尖峰的产生机制。
高频变器设计时，总会或多或少存在一定漏感，当其中一只功率管VT1导通时，变压器要向副边传送能量，就会有电流流过变压器绕组Lp1，而变压器漏感可以看作一个独立电感Lm1串联在电路中，在电流流过Lp1时储存能量，并在功率管关断后释放能量，如果Lm1储存的能量在死区时间内没有完全释放，在另一只功率管VT2导通时，这就形成了很高电压尖峰。

大家都知道MOSFET制作工艺时体内有3个电容，输入电容GS,输出电容DS，和反向传输电容DG。这个输出电容Coss对尖峰有一定吸收作用，如果漏感能量足够小，可以得到有效的吸收。如果漏感能量很大，就会在Coss上形成很高电压，损坏MOSFET管。
要想控制推挽拓扑工作在2倍左右输出电压，就要让功率管接近关断时，电流下降接近为0，才能避免尖峰电压的产生，这里就需要用到软开关电路。
但是要做到软开关条件是很苛刻的，一般需要占空比和死区时间恒定时才能达到。那么只有占空比最大时，通过设置好合理的死区时间，可以达到软开关条件。
所以这里就有2大难题需要我们解决：
1：闭环工作时的电压尖峰。（占空比没有达到最大时）
2：开环工作时的电压尖峰。（最大占空比时）
既然我们可以用软开关解决开环工作时MOSFET的电压尖峰，那么我们可以让机器在开机和空载时处于闭环状态，减少待机功耗。带载后工作在开环。因为空载时高频变压器向副边传递的能量只有待机损耗，变压器漏感储存的能量并不大，漏感尖峰在很小范围，这样就能保证MOSFET工作在安全范围。
接下来首先要解决的是软开关。
我们先来看看软开关电路结构。

这是一个很常用的谐振电路，Lr为副边谐振电感，Cr为副边谐振电容，通过调节Lr和Cr来调节输出阻抗，使谐振频率等于工作频率，也就是使变换器工作在容性和感性的临界区域，此时副边的工作电流呈正弦。（调节Lr和Cr可以控制副边电流的上升弧度完全正弦，Cr可以起到隔直作用，防止变压器偏磁。）
下面这张波形为变换器工作在满载开环下的波形图。
黄色为副边Lr的电流波形，蓝色为推挽其中一只功率管的VDS电压波形

下图黄色为开关管驱动波形，蓝色为VDS电压波形


不难看出，初级边功率管工作在0电压开关模式下，副边整流二极管工作在0电流开关模式下，由于高频变压器初次级耦合存在漏感，副边整流二极管在电流为0时，初级任然有一定电流流过，当然这个电流很小，这样在功率管关断后，变压器漏感储存的能量能够加速功率管的Coss电容呈线性充电，同时也给另一只功率管创造了0电压导通条件。调节合适死区时间来满足漏感能量给Coss充电过程。就可以实现功率管工作电压在2倍输入电压下。
这个推挽软开关电路网上资料很多，具体工作过程不做分析，本文研究中点是闭环电压尖峰。
闭环工作时有2种模式：
1：开机软启动时。
2：空载或者负载很轻时。
下面来看一张开机MOSFET的电压波形

这是输入24V电压下功率MOSFET的电压尖峰，如果选用100VMOSFET，也是是相当危险。
下图为处理后的开机电压尖峰波形，基本上已经控制在2倍输入电压下。

由于时间关系，接下来会依次讲解处理开机电压尖峰的处理办法。
接下来会制作一台500W样机来验证处理办法的实际效果，也会公开图纸供大家参考。