級聯(lián) MOSFET 中高壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計注意事項
金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），簡稱金氧半場效晶體管是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管依照其“溝道”的極性不同，可分為電子占多數(shù)的N溝道型與空穴占多數(shù)的P溝道型，通常又稱為N型金氧半場效晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場效晶體管（PMOSFET）。
只要讓MOSFET有一個導(dǎo)通的閾值電壓，那么這個MOSFET就導(dǎo)通了。那么在我們當前的這個電路中，假設(shè)GS電容上有一個閾值電壓，足可以讓MOSFET導(dǎo)通，而且電容沒有放電回路，不消耗電流。那么DS導(dǎo)通，理論上等效電阻無窮小，我們把這個等效電阻稱之為Rdson。當MOSFET電流達到最大時，則Rdson必然是最小的。對于MOSFET來說，Rdson越小，價格也就越貴。我們說MOSFET從不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，等效內(nèi)阻Rdson從無窮大變成無窮小，當然這個無窮小也有一個值的。MOSFET導(dǎo)通了，但是它沒有回路。
級聯(lián) MOSFET 配置為智能電表和電機驅(qū)動器等高壓應(yīng)用提供了一種低成本的替代方案。為了進一步了解級聯(lián) MOSFET 配置如何在高壓轉(zhuǎn)換器中工作，圖 1 顯示了一個由開關(guān)與二極管和電容器并聯(lián)建模的 MOSFET。除了開關(guān)、二極管和并聯(lián)電容器之外，我們還必須考慮頂部 MOSFET 的柵源電容 C g。
在這篇文章中，我將討論使用級聯(lián) MOSFET 配置時的兩種可能的工作條件：V in < V Zc和 V in ≥ V Zc，其中 V Zc是齊納二極管 Z C的鉗位電壓。
圖 1：級聯(lián) MOSFET 配置中的反激式轉(zhuǎn)換器
V in < V Zc
當轉(zhuǎn)換器首次上電時，電容器C C將通過R 1充電至V in。一旦控制器偏置電壓充電到欠壓鎖定 (UVLO) 閾值以上，開關(guān) S 1就會打開。如圖 2 所示，當 S 1開啟時，C C中的能量轉(zhuǎn)移到 C g并導(dǎo)致 C g 上的電壓增加。為了開啟S 2 ，需要將Z 2的鉗位電壓設(shè)置為高于頂部MOSFET的柵源閾值電壓(V gs(th) )。在 C g中有足夠的能量很重要在底部 MOSFET 導(dǎo)通后的整個導(dǎo)通狀態(tài)期間保持頂部 MOSFET 導(dǎo)通。換句話說，C C不能太小。有時，Z C的寄生電容可能不夠，需要一個與 Z C并聯(lián)的外部電容。
圖 2：MOSFET 開啟瞬態(tài)
當?shù)撞康?/span> MOSFET 關(guān)閉時（圖 3），來自變壓器的電流會快速為 C 1充電。C g放電，能量再次回到 C C。一旦C g放電到低于V gs(th)的電壓電平，S 2關(guān)閉并且C 2充電。
圖 3：MOSFET 關(guān)斷瞬態(tài) (V in < V Zc )
V in ≥ V Zc
當 V in ≥ V Zc時，低側(cè) MOSFET 導(dǎo)通瞬態(tài)期間的電流方向與 V in < V Zc時的電流方向完全相同。在低側(cè) MOSFET 關(guān)斷瞬態(tài)期間，變壓器電流對 C g放電，然后流過 C C和 Z C，如圖 4 所示。在此瞬態(tài)中，Z C充當緩沖器并將低側(cè) MOSFET 電壓鉗位到V Zc + V F_Z2，其中 V F_Z2是 Z 2的齊納正向壓降。
圖 4：MOSFET 關(guān)斷瞬態(tài)（V in ≥ V Zc）
在 S 1已經(jīng)關(guān)斷之后，S 2的關(guān)斷延遲時間越長，流經(jīng) S 2到 Z C的電流就越大，這可能會導(dǎo)致 Z C出現(xiàn)熱問題。下面的圖 5 顯示了一個關(guān)斷瞬態(tài)示例。如我們所見，在 S 1完全關(guān)閉后，S 2開始關(guān)閉。在瞬態(tài)中，S 1已經(jīng)關(guān)閉，而 S 2正在開啟。浪涌電流流過 Z C ，這會導(dǎo)致齊納二極管 Z C出現(xiàn)熱問題。
圖 5：具有較長關(guān)斷延遲時間的 MOSFET 關(guān)斷瞬態(tài)期間的波形 (V in ≥ V Zc )
如果 S 1和 S 2之間的關(guān)斷延遲時間可以通過使用具有更好瞬態(tài)特性的 MOSFET 來最小化（如圖 6 中的示例），那么流向 Z C的電流也可以最小化，并降低 Z 的溫升C. _
圖 6：低端 MOSFET 關(guān)斷瞬態(tài)期間的波形，關(guān)斷延遲時間較短 (V in ≥ V Zc )
隨著頻率越來越高，因體二極管反向恢復(fù)造成的損耗會更為顯著，必須加以考慮?，F(xiàn)在，很顯然選擇同步升壓轉(zhuǎn)換器的MOSFET不再是一項微不足道的練習，它需要可靠的方法來選擇最佳的組合，并結(jié)合對上述所有問題的深入理解。
許多組件用于設(shè)計具有級聯(lián) MOSFET 配置的高壓轉(zhuǎn)換器，但通過仔細選擇電路參數(shù)來掌握關(guān)鍵操作，可以為高壓應(yīng)用提供低成本替代方案。
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