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MOS管应用概述(二):米勒振荡

2018-11-17 22:10 5865 27 7 分类: 电源/新能源 文集: 电源
上一节讲了MOS管的等效模型,引出了米勒振荡,可以这么讲,在电源设计中,米勒振荡是一个很核心的一环,尤其是超过100KHz以上的频率,而作者是做超高频感应加热电源的,工作频率在500K~1MHz范围,功率大于5KW,拓扑结构是LLC电路,H桥输出,此外为了实现功率线性可调节,采用40Hz PWM调制,可以理解为H桥以25mS为周期,不停的开始,关闭,而因为感应加热设备的负载是并联LC谐振环,这样每一次的开始等价于输出短路,所以开始的10来个周期的高频脉冲波形特别难看,米勒振荡很严重,如下图(Infineon C6 MOS管波形):

大家知道Si MOS的Vgs电压工作范围为正负20V,超过这个电压,栅极容易被击穿,所以在米勒振荡严重的场合,需要加限压的稳压二极管,一般采用15V稳压二极管,有些采用15V的TVS管,响应速度快,但是TVS管相比稳压二极管来说,精度比较差,一致性不是很强,一般情况下还是推荐用稳压二极管。

上图为MOS管GS之间并联了稳压二极管,实现15V驱动电压钳制。稳压二极管一般用于米勒振荡严重的场合,尤其是频率特别高的,对于波形良好的软开关,或者振荡不明显的硬开关,不需要稳压二极管钳制。

米勒振荡若只是引起GS绝缘层击穿,那么加稳压二极管很容易解决,问题的关键在于,米勒振荡往往引起二次开关,也就是说,导通了又关闭又导通,多次开关,多次开关带来的直接效应,就是开关损耗急剧提升。在高频开关中,MOS管的损耗分为导通损耗和开关损耗两种,导通损耗也就是通常所说的DS两极导通后的欧姆热损耗,然而在特别高的高频下,导通损耗是次要的,开关损耗上升为主要矛盾,所谓开关损耗就是从关闭到导通,或者从导通到关闭,因为这个0->1, 1->0的过程中,有高压,又有电流,所以这个损耗很大,最早开关电源都是采用硬开关的,而开关损耗在硬开关中表现突出,此外开关损耗因为有高的电压和强的电流,瞬间功率很高,比如电压310V,开关时中间电流假设为10A,则瞬间功率就有3100W,冲击性很强,容易导致MOS管局部损伤,所以为了解决硬开关,引入了零电压(ZVS)、零电流(ZCS)的软开关技术,然而虽然软开关技术很好的解决了开关损耗问题,但是开关损耗还是存在,只是大大降低了,但是米勒振荡的多次开关,又提升了开关损耗。

米勒振荡若只是以上两点问题,那还不是问题的根本,最最让设计者头疼的是,在大功率拓扑结构中广泛使用的H桥,米勒振荡会存在一种可能,那就是上下管子恰好在某同一时刻导通,若导通的时间略长一些,则引起上下管子通过的瞬间电流巨大,因为MOS管的内阻都很小,只有百毫欧级别,当310V除以百毫欧姆电阻,产生的瞬间电流都在上百A,哪怕因为布线存在电感,实际这个电流小一些,但这个瞬间产生的功率还是巨大的,假设瞬间100A,则瞬间功率31000W,这么强的瞬间冲击,很容易让功率管损伤甚至烧坏而炸机。很多时候,短时间在公司测试OK,甚至十来天都OK,功率管温度也不高,但是一到客户哪儿就出问题,往往跟这个有关。

总结以上,米勒振荡引起三个问题:
1、击穿GS电压,引入稳压二极管钳制。
2、二次开关,引入软开关。
3、上下管子导通,头大,斗争的重点,下一节讲。

下图为仿真的MOS管驱动波形,大家可以看到里面有一个米勒振荡,信号源为10V,100KHz

米勒振荡的本质是因为在高压和高速开关下,注意是高压和高速开关下,MOS管在高压高速开关下,就是一个典型的高增益负反馈系统,负反馈特别严重(上一节讲到MOS管就是反相器),高增益负反馈很容易引起振荡,尤其是反馈还是电容,又引入了相位移动,反馈相位接近270度。负反馈180度是稳定点,360度是振荡点,270度处于稳定与振荡点之间,所以强的负反馈会表现为衰减式振荡。(通俗的理解:输入因为有电感和电阻的限流,高压下反馈突变信号通过电容,因为不平衡引起振荡,这个类似热水器的温控PID。)

相同条件下,低压下因为负反馈没有这么剧烈,所以米勒振荡会很小,一般高频电源先用低压100V测试,波形很好,看不到米勒振荡,但是到了300V,波形就变差了。


下期讲解MOS管的米勒振荡应对方法。
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wjx943_536273043 2018-11-21 20:55

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givh79_163.com 2018-11-19 08:24

期待下一期
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