全諧振式自激振蕩電流型MOSFET型正弦波變換器

   今天充電器廠家玖琪實業(yè)跟大家討論的BT電流型逆變器的MOSFET形式?我們將會看到這種逆變器具有完全不同的零電壓驅(qū)動方法,與采用BJT時相比,既有優(yōu)點也有缺點?MOsFET電路的主要優(yōu)點是開關(guān)過程中無需加入延時,因而消除了開關(guān)器件的交疊時間,也無需插入死區(qū)時間?因此諧振電壓波形接近純正弦波,諧波含量極少?

    本文將不再重復(fù)電源適配器電感和變壓器的設(shè)計方法以及諧振電路的理論,不再討論Q值和環(huán)流?還有逆變器工作其他相關(guān)細(xì)節(jié),因為這些內(nèi)容充電器廠家玖琪在以前已經(jīng)做了充分的討論?本文的MOSFET電路采用相似的設(shè)計過程?

    由前面內(nèi)容可知,諧振式熒光燈鎮(zhèn)流器的基本電路是相同的,即自激振蕩電流反饋型井聯(lián)諧振式正弦波逆變器?電源適配器電路使用的開關(guān)器件是BT?也許看上去用MOSFET替換BT?并將驅(qū)動電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兒?電路的功能是完全一樣的?然而,這樣做經(jīng)常導(dǎo)致可靠性降低,性能也不令人滿意?MOSFET電路的驅(qū)動電路設(shè)計與BT電路的截然不同,盡管這不是顯而易見的?

    第一個要求是MOSFET的柵極驅(qū)動電路需要加入延時以模擬因基極存儲電荷的復(fù)合時間而使BJT具有的固有延時?延時可以確保兩個器件始終不會同時關(guān)斷?在扼流圈驅(qū)動電路中,為了避免破壞性的高瞬態(tài)電壓,必須為串聯(lián)饋電扼流圈的電流提供連續(xù)流通的回路?還有一點不是那么顯而易見,即應(yīng)在高輸入電壓施加前開始振蕩過程,以避免災(zāi)難性故障的發(fā)生?充電器廠家將研究解決這些問題的新方法?

基本MOSFET諧振式逆變器

     圖所示的為MOSFET逆變器的較基本電路,通過該圖可以更好地理解電源適配器的工作原理?然后將分析為了獲得可靠的工作電路,應(yīng)對其做哪些必要的修改?

    在圖所示的復(fù)讀機(jī)電源適配器基本電路中,柵極驅(qū)動電路與雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器十分相像?電源適配器電路一旦啟動,就可以在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行良好,無需做任何修改?然而,稍后就可以發(fā)現(xiàn),有個問題使電路不能可靠啟動,為了解決這一問題,應(yīng)做如下的修改?

    考慮以下啟動條件:輔助電壓VA已經(jīng)建立,輸入電壓VN也已經(jīng)施加,且電路已經(jīng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)?(本例中相對于公共端,VA為18VDC,VN為250VDC?)

    在這種條件下,并聯(lián)諧振電容CR和原邊P1兩端的電壓為正弦波,如圖所示P1中心抽頭A點的電壓為全波整流后的正弦電壓(或選加正弦波,如圖4?4?2d所示)由于L1的輸入端接至直流電壓(Vw),L兩端的電壓為類似的帶有直流偏置的選加正弦波?注意圖4?2?2中除P1電壓以外,電壓的參考點均為公共端?

    為了使輸入電壓的紋波較小,扼流圈L1的電感值相當(dāng)大(本例中為10mH),電流中的直流分量相對于交流紋波電流來說很大,因此扼流圈的電流近似恒定?A點的選加正弦波電壓由L1的工作狀態(tài)以及由變壓器原邊電感和C構(gòu)成的諧振電路完全決定?

(a)Q:漏極電壓:(b)Q2漏極電壓:(c)P1電壓,參考點是Q:的漏極,不是公共端;(d)A點的選加正弦波電壓:(e)Q1柵極電壓;(f)Q2柵極電壓

       穩(wěn)態(tài)時諧振電路能夠自動將L1的電壓調(diào)節(jié)至0,因為每個周期內(nèi)磁通的正向變化和反向變化必須相等?這使每個周期內(nèi)L1的凈電流變化為0,平均電流保持為負(fù)載需要的大小?因此A點選加正弦波電壓的平均值等于直流輸入電壓VN?注意,如果迭加正弦波電壓平均值小于VN,L1的電流將增加,選加正弦波的電壓也增加,直到一個周期內(nèi)電感凈電壓為0,反之亦然?選加正弦波的平均值為峰值的2/x,因此本例中選加正弦波的峰值電壓Vp為

Vp=VAGπ/2=250π/2=393V

       為了求得MOSFET兩端電壓的峰值,應(yīng)注意選加正弦波電壓的峰值出現(xiàn)在原邊的一半繞組上的同時,P1一端的電壓被導(dǎo)通的MOSFET固定在0V?因此峰值電壓應(yīng)力施加于整個原邊,以及關(guān)斷MOSFET的漏極和源極兩端,本例中峰值電壓大小為2(393)或786V?（英規(guī)電源適配器）

       圖中,任一時刻兩個功率MOSFETC和Q2中的一個處于導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)另一個處于阻斷電流的關(guān)斷狀態(tài),兩個電阻R1和R:為柵極上拉電阻,當(dāng)鉗位二極管截止時將開通電壓VA施加于兩個MOSFET的柵極?

      可以看出兩個二極管D1和D2的連接方式使一個MOSFET的漏極電壓為0時,相應(yīng)的二極管將另一個MOSFET的柵極電壓錯位于稍大于0的二極管壓降(足夠低,確保MOSFET關(guān)斷)?當(dāng)漏極電壓升至超過VA時,三極管變?yōu)榉聪蚱?柵極電阻使另一個MOSFET的柵極電壓等于VA,使MOSFET開通

       現(xiàn)在做進(jìn)一步分析,考慮Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通的某一瞬間,假設(shè)Q1漏極電壓為20V并迅速降至0V.圖4.2.2的t1前一瞬間正是這種情況?此時Q的漏極電壓為0,由于D2正向偏置,它將Q1的柵極電壓鉗位于D2正向壓降的大小(約0.7V),這使Q1保持關(guān)斷狀態(tài)?與此同時,Q的漏極電壓為20V,所以D反向偏置,且VA(18V)由R:施加于Q2的柵極(見圖,所以Q2完全開通。

此時隨著Q1漏極電壓下降至VA以下,D開始導(dǎo)通,且Q2柵極的驅(qū)動電壓開始降低?由于MOSFET的柵極闊值電壓V典型值為3V,當(dāng)Q:漏極電壓降至約2.3V時Q2將完全關(guān)斷,所以,隨著Q1漏極電壓降至0,Q漏極電壓在諧振的作用下開始增加盡管D2仍然導(dǎo)通,Q1的柵極電壓此時在R1電流的作用下升高?一且Q1柵極電壓升至3V,Q1將開通,使其漏極電壓保持為0V.當(dāng)Q2漏極電壓一超過18V,D2將反向偏置18V電壓降經(jīng)R1施加于Q的柵極?所以柵極電壓基本上為方波,如圖4.4.2e和圖4.,4.2f所示?由此一個器件導(dǎo)通至另一個器件導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換是完全連續(xù)的,電路中的電壓波形非常理想?所有的波形均沒有電壓尖峰,P1兩端的正弦波電壓在交越時間為0時沒有明顯的畸變?

注意存在一小段兩個MOSFET均關(guān)斷的時間?然而電路中的分布電容在這段短暫的時間內(nèi)(25ns)為L的電流提供了通路,這足以抑制嚴(yán)重的瞬態(tài)過電壓。

啟動MOSFET逆變器

鎖定

       這種MOSFET電路一開始并不令人喜歡,因為啟動時兩個MOSFET會同時導(dǎo)通并損壞,原因如下。

       對于圖所示的電源適配器基本電路,如果電壓V和VA突然同時施加,振蕩將無法開始因為Q和Q:將同時導(dǎo)通,這使L的電流迅速增加,直至MOSFET損壞。

       造成這種情況的原因是啟動前諧振電路中沒有電流,P1兩端電壓為0,并且由于能量無法傳遞至諧振電路中,這個狀態(tài)將持續(xù)下去?因此P1兩端電壓保持為0,振蕩不會開始?當(dāng)直流電壓施加后,兩個漏極電壓將同時升高,當(dāng)升至約2.3V時,兩個柵極電壓都將超過V(約為3V)?這時兩個MOSFET將進(jìn)入線性導(dǎo)通狀態(tài)并保持該狀態(tài),電流不受限制地增加,從而迅速導(dǎo)致MOSFET損壞?解決問題的方法是在電源適配器低電壓下啟動振蕩方法如下?

電源適配器在線性模式下啟動振蕩

為了啟動振蕩,必須使能量傳遞至由原邊等效電感和諧振電容C構(gòu)成的諧振電路?L電流增大的速度比振蕩電路中振蕩的形成要快得多,所以如果在D1和D2導(dǎo)通前振蕩沒有形成,電路將被鎖定?通常,振蕩的形成需幾個毫秒,并且與負(fù)載和連接至MOSFET柵極的正反饋數(shù)量有關(guān),這個問題將在下一節(jié)進(jìn)行討論。

由于啟動時MOSFET工作在線性區(qū)或準(zhǔn)線性區(qū),而且只有在P1兩端電壓完全建立后才開始交替地導(dǎo)通和關(guān)斷,此過程必須在二極管D和D2導(dǎo)通前發(fā)生?以下措施可以確保這一點。