提问

#楼主# 2019-4-12

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最近在谷歌寻找资料的时候,发现了一个德国朋友的网站,干货很足。因此决定搬运并翻译部分有用的文章(已获得授权)。
这是第一篇搬运,原文为德语,链接附在文末。德语一般,专业文章翻译并不流畅。
本文章面向普通爱好者,提到了一些应该注意的设计细节。



任何正在或者曾经设计制造SSTC或者DRSSTC的人都会遇到这一个问题:在建造和修改优化阶段必须有大量的MOSFET
献出他们的生命。造成这种情况的原因非常多种多样,应该被仔细研究。
我们在这里讨论的的结果和思路也同样适用于使用串联谐振拓补的应用中,例如使用半桥和全桥的感应加热或各种开关电源。
在驱动设计部分的问题

1. 波形不够陡峭
对于不幸死去的MOS而言,原因很大程度上来源于驱动部分。在输出级(例如图腾柱或者是TC442X芯片)中的FET若没有输出陡峭的矩形波,那么在功率FET上驱动的波形就会出现振铃/毛刺(原文为ubsauber,即不干净)或者太长的上升/下降沿,这会导致非常严重的损耗导致炸管。
对于这种情况只能使用一个示波器来检查输出的上升/下降沿。根据经验,在采用GDT作为驱动的SSTC中,边沿应该控制在200ns以内,以便于线圈在市电电压下合理的工作。


2.不稳定的换相
另一个问题是在开关期间波形的不规则性。在我们预期的开关操作完成之前,MOSFET在导通或关断期间的偶然的因为波形不够理想而造成意料之外的导通或者关断。例如,在最终关闭之前,MOSFET可能会在关闭的边缘时间内突然短暂的再度导通。这种短暂的导通会导致MOSFET中额外的功率损耗,并可能导致所谓的击穿。例如在两个不同桥臂的MOS同时导通会导致电源短路直接引爆两个MOS。




3.MOS的G极过压击穿
尤其对于驱动能力很强大的驱动器(例如专门为拖鞋大的IGBT的准备驱动),可能发生栅极信号具有很大的电压并因此击穿G极。这种情况可能是因为GDT的错误的匝比。或是驱动信号相当大的瞬态或者过冲。对于大多数MOSFET而言应该确保栅极电压在+-20V以内。


灭弧(原文为Oszillator,即振荡器)的问题

1.缺少屏蔽,接触不良的电位器和反馈过压
灭弧是SSTC中最敏感的部分之一。如果没有做好充分屏蔽和电源则不能稳定的工作,以至于损坏后级的功率部分。接触不良的电位器也是。在使用反馈的驱动电路中,天线反馈输入部分总是存在过电压或者干扰的风险,这有可能造成灭弧的混乱,并最终导致后级功率器件的爆炸。


2.死区时间
在半桥中,高侧和低侧的MOSFET始终交替导通与关断。所以必须不惜一切代价避免所谓的同时导通的情况发生。因为这种非常讨厌的错误会立刻引爆两个MOSFET。为避免这种情况我们可以酌情考虑在驱动部分加入死区时间控制。这可以产生出一个很短的时间在交替的时候让两个MOS同时关断。这避免了极端的直通的情况,保护了MOS并避免了削弱硅片体质。(这里很奇怪,但是原文甚至说的是反的)这避免了相当高的耗散并且可以杜绝了进一步的功率消耗在功率桥上。


谐振的问题

1.不合理的初级线圈导致功率桥过载
一个爆炸了的功率桥也可能意味着不好的负载阻抗特性。如果初级线圈匝数太少或直径太小,则功率桥输出端与谐振器之间的阻抗匹配很差,这可能导致MOS管中产生高功率损耗并过载。在最佳的情况下(功率调节),应该传输最大的功率到谐振器并且桥微微变热。但是这些调整应该避免大部分功率被被谐振器反射(驻波)并导致桥的爆炸,或者使电能仅仅耗散在桥的内阻上。


2.由于次级线圈的不合理导致过载
太大的顶部(原文为topload,即顶端负载)或一个没有尖端的顶端,都可能导致功率桥的负载变大。这同样也适用于次级与初级之间的过高的耦合,来自次级线圈的冲击也会引爆MOSFET


3.负载的随意变化
在接地极或者环境变化非常大的情况下,有可能发生谐振频率的显著变化,由此可能会引爆功率桥(尤其是对于频率在MHz范围的SSTC)


供电方面的问题

1.电网中的瞬态和过电压
功率桥的供电故障也可能瞬间引爆功率MOSFET,瞬间,过压,和较大的电压波动可能会导致功率桥的问题。电抗器(原文为Netzfilter)可以略微衰减瞬变,同时有助于防止SSTC反向干扰外部的电网


2.整流并滤波后的供电(原文为geglätteter,即平滑)
如果为功率桥使用全桥整流(此处应有全桥整流侠出场:full! bridge! rectifier!!!),则输出级的负载远高于半桥整流。通过使用半桥整流,功率桥始终有半个周期的"休息时间"


3.功率桥的限流
功率桥在没有电流限制的情况下直接工作与230v的电源电压,通常情况下会比较危险。SSTC必须在设计非常成熟并经过验证后才可以直接在电源电压上工作。在不确定是时候可以使用自耦变压器(调压器)以限制功率


功率桥本身的问题

1.缺少续流二极管
有可能因为功率桥本身的保护措施不足,导致MOSFET的无辜爆炸。例如,在缺少内置续流二极管的型号中不接入外部的续流二极管,意味着初级线圈产生的自感峰值电压不能被消耗,可能导致MOSFET被击穿(大部分常用的型号都是自带续流二极管的。但是其他型号应该注意)


2.缺少肖特基二极管
储存在初级线圈中的能量可能会在内部的快恢复二极管关断时回流,这在电流换相时尤其重要。由于MOS内置的二极管通常来说比较慢,因此有可能发生另一个桥臂的MOS已经导通的情况下前一个桥臂的内置续流二极管仍然导通。这可能会导致MOS的爆炸。这时候可以使用一个外置的肖特基二极管去激活FET内部的快恢复二极管。


3.G极上的钳位二极管(原文为Z-Dioden)
如果在G极上省略了钳位二极管,则G极处的电压尖峰可能会导致G-S间的击穿,破坏MOS(一般情况下可以使用TVS)


4.电源的连线太长
在功率部分的过长连线具有过大的寄生电容和寄生电感。这可能会在MOS切换的时候产生振荡(母线吸收电容是很重要的,别省),这是不合理的并且MOS还会折寿


一些其他问题

1.电源接通顺序
以错误的顺序给SSTC的部件通电也可能会损坏功率桥。为么子?因为如果驱动或者灭弧在最后上电的话,则可能在他们稳定工作之前出现令人不快的信号,这些不稳定的(原文为hässlichen,即丑陋的)"启动信号"会使功率桥的MOS不受控制的导通,以至于击穿。


2.MOSFET的数据
使用MOS必须遵守某些MOS自身的关键数据,例如最大的DS电流/电压,最大耗散功率和最大GS电压是最重要的。这些关键数据可能会随着频率的上升和温度的升高而变化。超过其中的任何一个就会导致MOS的爆炸。因此,如果是自己选型的时候应该仔细查看每个参数。例如,如果DS电压只为一半,也并不意味着DS电流可以达到原来的两倍。始终需要同时遵守每个规范(老老实实看数据手册)


附:关于负载特性的问题
很多的功率桥的损坏的问题是容性换相导致。在TC部分重视的并不多。但是在感应加热领域是非常重要的。需要强调的是,在设计逆变器的时候需要注意避免容性换相。容性换相本身产生的原因是逆变系统由于没有补偿的反馈信号而产生的传输延时造成的。一般在反馈上加上固定增益的补偿即可解决。
----by @山猫帝王

本文章得到了kilovolt的作者本人的授权,原文地址在这里
感谢山猫帝王对翻译的帮助

别的文章也会慢慢翻译发布,如果在网站上有什么感兴趣的文章也可以私信或者邮箱询问翻译。邮箱hoshijiro.shizika@gmail.com







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zycxjl 发表于 2019-4-13 15:37:49
谈得很好,谢谢大佬分享。
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