Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 放大/轉換
 
 
放大/轉換  

SMPS可靠度探討及功率電晶體適當驅動方式

上網時間: 2015年06月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SMPS  交換式電源轉換器  MOSFET  功率因數校正器  PFC 

作者:張家瑞、黃正斌、林錦宏;英飛凌科技

交換式電源轉換器(SMPS)基於高轉換效率及高功率密度的特性,廣泛應用於生活當中,利用主動功率開關元件,如功率電晶體(Power MOSFET)接收來自控制器的驅動訊號,配合功率二極體、變壓器、電感器、電容器等元件,進行電源型式的轉換,以達到不同電源型式輸出或是負載驅動的目的。

對交換式電源轉換器的設計者而言,電路設計的首要目標是達到系統所設定的電源轉換效率及系統規格要求,然而因零件的誤差及控制器造成的轉換器可靠度問題,經常要在大量生產後才會被發現。大多數的可靠度問題,常常來自於對功率元件的不熟悉以及不適當驅動所造成,常常在產品進入量產之後,必須回頭重新檢視元件選用及電路設計問題,這對電路設計、品質驗證及產線工作人員而言,都是吃力不討好的工作。

本文將針對功率電晶體在目前被廣為使用且易於產生可靠度問題的架構,如功率因數校正器、LLC共振式轉換器及全橋相移式轉換器中,驅動電路設計考量及驅動訊號所需要確認的重點,以幫助電源轉換電路設計者在驗證產品時,能更有方向性地驗證產品的可靠度。

功率因數校正器

功率因數校正器(PFC)的主要作用在於將市電之交流(AC)電源,轉換成為高壓直流(DC)電源,其作用在於使電源供應器產品的輸入電流與電流同相位,減少高次諧波電流以達到高功率因數的目的。由於必須因應85~264V的市電AC電壓變化範圍及AC輸入電源失效條件,尤其是在AC輸入電壓瞬間變動及電源供應器快速開關機的條件之下,常因超出元件所能承受的最大規格,進一步造成燒毀。

一般而言,應用於PFC中的功率電晶體燒毀原因不外乎以下下列幾種情況:

  功率電晶體過電流/過溫度:在電源供應器開機或是AC電源失效測試時,電源供應器的輸入電流會因為要對輸出電容做能量的補充,而有大電流現象,如圖1所示。

同時,大電流會流過功率電晶體,造成功率電晶體的溫度上升,因此,建議設計者在考量在較高的環溫下,必須確認PFC電路中的電感器是否飽和,以及功率電晶體接面溫度(TJ)是否超過最大容許值。


圖1:電源失效測試下的PFC輸入大電流現象

  高dv/dt造成功率電晶體振盪現象:圖2是功率電晶體在高頻條件下的等效電路圖,其中封裝引線被視為是電感之一,閘極、汲極及源極之間除了晶體的寄生電容外,還有因PCB上導線所造成的外部寄生電容。當大電流流經功率電晶體時,不僅在寄生電感儲存較大的能量並與寄生電容產生共振及較大電壓雜訊外,若功率電晶體採用較快的截止驅動(turn off)電路時,更容易造成功率電晶體的自振盪現象,如圖3所示。


圖2:功率電晶體在高頻條件下的等效電路圖


圖3:功率因數修正電路中功率電晶體的自振盪現象

當功率電晶體因過快的截止速度,造成較高的dv/dt,而發生自振盪現象,此時經常伴隨著極高的振盪頻率(>100MHz)及過高的VGS電壓,最終造成功率電晶體的燒毀。雖然使用較快的截止驅動電路能夠有效提高效率,但卻容易造成過高的dv/dt,因此實務上應該儘量採用不小於10Ω的電阻於截止驅動電路,或是在閘極引腳上使用ferrite bead,利用對高頻訊號呈現的高電阻特性,消耗來自寄生電感的能量,減少功率電晶體可能的自振盪現象。

  並聯使用功率電晶體:在較大功率的電源供應器中,並聯使用功率電晶體於PFC中非常普遍,並聯的功率電晶體中,寄生電感及寄生電容Cgd互為對方的寄生能量來源之一,容易產生振盪現象(如圖4)。此外,功率電晶體的參數並不完全一致,在功率電晶體導通及截止瞬間,會出現功率電晶體電流不均的情況,在輸入電壓變動或是電源失效測試之下,分流不均的功率電晶體更會出現嚴重的驅動電壓振盪情況,實務上,除了採用獨立的驅動電路外,目前較佳的的解決方案,仍為在閘極引腳上使用ferrite bead,其作用乃在於吸收可能的高頻振盪能量(,如圖5所示)。


圖4:產生共振行為的並聯功率電晶體高頻等效電路


圖5:(a)未使用ferrite bead以及(b)使用ferrite bead在輸入電壓變動時的並聯功率電晶體波形

(下一頁繼續:零電壓切換電源轉換器架構)


1 • 2 • 3 Next Page Last Page



投票數:   加入我的最愛
我來評論 - SMPS可靠度探討及功率電晶體適當驅動方...
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首