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ZVS Ponte intero DC-DC convertitori considerazioni progettuali e risultati sperimentali
caratteristiche di funzionamento di MOSFET transistorin sfasato ZVS full-bridge DC-DC convertitori design considerazioni e risultati sperimentali

Estratto:
negli ultimi anni, la domanda di sistemi ad alta potenza e ad alta efficienza energetica nel mercato degli alimentatori switching ha continuato ad aumentare. Con questo pull, i progettisti stanno passando alle topologie di convertitore con minore potenza perdite. PWM controllo sfasamento Full-Bridge è uno dei popolari soft-hard topologie di alimentatori switching che raggiungono un'elevata efficienza energetica ad alta potenza. Questo il documento si propone di indagare le caratteristiche di funzionamento di MOSFET transistor di commutazione in tensione zero commutazione (ZVS) convertitori.

1. introduzione

posizionamento di mercato per tensione zero commutazione sfasamento I convertitori includono alimentatori per apparecchiature di telecomunicazione, mainframe o server e altri dispositivi elettronici che richiedono sia densità di potenza che efficienza energetica. A raggiungere questo obiettivo, è necessario ridurre al minimo la perdita di potenza e la potenza reattiva è un modo fattibile per aumentare la frequenza di commutazione del convertitore, ma un'elevata frequenza di commutazione farà aumentare la perdita di commutazione, che è contrario all'obiettivo di migliorare efficienza energetica. una soluzione efficace è usare un zero-voltaggio interruttore (ZVS) o interruttore a corrente zero (ZCS) convertitore topologia. Questo il metodo assicura che l'interruttore sia a tensione zero o corrente zero prima della transizione di stato particolarmente degno di nota è il zero-voltage interruttore. Il Il metodo può garantire che il tubo dell'interruttore abbia tensione zero attraverso il tubo anteriore prima della conduzione, eliminando così la perdita di potenza causata dalla sovrapposizione della corrente dell'interruttore e della forma d'onda della tensione. Il zero-crossing il metodo di commutazione presenta molti vantaggi, come il funzionamento a frequenza costante del controllo lineare, l'integrazione della capacità parassita o della resistenza nel circuito di alimentazione e EMI interferenze elettromagnetiche, ma ci sono molti svantaggi, ad esempio, il controller di sfasamento ha un design complicato e il tubo raddrizzatore oscilla. frequenza e overshoot, perdite di commutazione morbide in condizioni di carico leggero. Recentemente, l'introduzione di controller integrati ha ridotto la complessità del design del controller di sfasamento e la selezione di tubi di commutazione dedicati può risolvere il problema del consumo di corrente dell'interruttore del carico leggero. alcune caratteristiche elettriche del MOSFET aiutare il sistema a ridurre la probabilità di fallimento. Questo l'articolo descrive la sequenza di commutazione con la più alta probabilità di fallimento.

2. Introduzione alla topologia dell'interruttore a tensione zero

Il Il circuito di sfasamento di base è composto da quattro tubi di commutazione, ciascuno dei quali ha due valvole di commutazione. Perché della modalità di lavoro, i tubi di commutazione dei due bracci del ponte non cambiano stato contemporaneamente e sempre un braccio del ponte cambia lo stato di commutazione prima dell'altro braccio del ponte. Il il primo a cambiare lo stato è spesso indicato come "leading bridge arm" e l'altro è indicato come "lag bridge arm." come mostrato in Fig. 1, i tubi di commutazione Q1 e Q2 rappresentano "i bracci del ponte principale", e le valvole di commutazione Q3 e Q4 rappresentano "lag bridge arms".


Figura 1

Il la potenza di uscita può essere controllata impostando lo sfasamento tempo. In particolare, la potenza di uscita è grande e il tempo di sfasamento è impostato su più breve; la potenza di uscita è piccola e il tempo di sfasamento è impostato più lungo. Questo metodo può controllare la commutazione fase.



figura 2


osservando la sequenza di segnali mostrata in figura 2, non è difficile capire che il Q3 e Q4 le valvole degli interruttori vengono accese dopo che gli altri due interruttori delle valvole sono completamente chiusi. in altre parole, l'azione on o off del "leading bridge arm" interruttori Q1 e Q2 si verifica sempre prima del "lag bridge arm" interruttori Q3 e Q4. Perché della sequenza di commutazione, il "leading bridge arm" l'interruttore deve subire una fase di ruota libera e il "lag bridge arm" switch tube non ha trovato this processo. Il la tabella seguente è la sequenza di commutazione tabella.



Tabella 1


Questo metodo di controllo può ridurre la perdita di commutazione perché è acceso solo quando la tensione ai capi dell'interruttore è zero. la figura 3 mostra le forme d'onda di corrente e tensione di un tipico sfasato (P-S) tensione zero commutazione convertitore.



figura 3


guardando il punto culminante della figura 3, non è difficile trovare che il Q4 il segnale di corrente è composto da due parti. Il la prima parte della corrente scorre attraverso il canale tra il source e il drain del transistor di commutazione e il diodo ad effetto body, mentre la seconda parte della corrente scorre solo attraverso il canale interno tra il drain e il source del MOSFET. al variare della polarità della tensione del trasformatore, la direzione della corrente immediatamente. interruttore del braccio del ponte di isteresi Q2 (per favore controlla l'originale per vedere se c'è un errore materiale) usa questo sequenza di commutazione per modificare lo stato di commutazione quando zero crossing, e inizia a condurre quando la tensione ad entrambe le estremità è zero, realizzare un interruttore di tensione zero operazione. prestare attenzione al segnale del Q4 valvola di commutazione, in particolare la corrente segnale. Quando la corrente cambia direzione, la tensione diminuisce. Dal momento che la corrente è composta da due parti, il tempo (trr) presa per rimuovere i portatori di minoranza nel diodo a effetto del corpo è più corto di il tipico tempo. Il la concentrazione di portatori di minoranza è principalmente correlata alla durata della ricombinazione. Pertanto, si raccomanda che this topologia usa un tubo di commutazione con un rapido recupero all'indietro velocità. di seguito esploriamo i potenziali guasti causati da this problema.

3. potenziale guasto del tubo dell'interruttore

come descritto sopra, durante la tensione zero processo di transizione dello stato di commutazione, il diodo del corpo interno del MOSFET interruttore Q4 partecipa all'operazione di commutazione e in orario è determinato dall'entità del carico. per regolare la corrente di uscita, il tempo di sfasamento tra i due bracci del ponte è variabile, quindi il tempo di conduzione del diodo a effetto body cambia da un breve periodo ad alta potenza a un carico leggero per un breve tempo.



figura 4




figura 5


confrontiamo i due casi. Il la condizione del portatore leggero di figura 5 è inferiore a il tempo necessario per il ricaricamento della riorganizzazione del vettore di minoranza, che può essere più corto di il tempo necessario per completare l'intera operazione. guardando da vicino questo esempio, troviamo che i carichi leggeri sono la condizione più critica per questo rischio.

come mostrato in figura 6, la linea rossa tratteggiata rappresenta un diverso tempo di recupero, indicando una situazione dove può verificarsi un errore quando non viene utilizzato un dispositivo adatto Noi simulare tre diversi tempi di recupero con tre diverse linee, due di cui rappresentano una situazione di sicurezza e una terza che rappresenta un possibile guasto. nell'ultimo caso, il tempo di ripristino non è sufficiente per consentire ai portatori di minoranza all'interno del MOSFET per recuperare completamente



figura 6


al fine di ridurre il rischio di guasti causati da questo stress elettrico, il MOSFET interruttore con due parametri più piccoli, trr e Qrr, dovrebbe essere selezionato. Noi ha introdotto diverse tecnologie di semiconduttori che risolvono la modalità di guasto di ZVS topologia. ci sono diversi MOSFET con tempo di recupero inverso breve e forte dv / dt tolleranza, quale sono adatti per frequenze più alte ZVS full bridge applicazioni. Questi i metodi consentono inoltre ai produttori di alimentatori switching di aumentare l'affidabilità dei loro potenza sistemi. la figura 6 mostra la forma d'onda della corrente del tubo di commutazione del ponte principale braccio. Noi può anche fare un'analisi simile del lag bridge switch. a differenza del tubo di commutazione del braccio del ponte anteriore, la fase di conduzione del tubo di commutazione del ponte di isteresi include l'operazione di recupero inverso del diodo di effetto del corpo interno. in questo caso, se viene selezionato lo stesso tubo interruttore del braccio del ponte di piombo, non ci saranno problemi (Fig. 7) perché il tubo dell'interruttore del braccio del ponte lag ha più tempo per il recupero inverso inverso



figura 7


4. conclusione

Questo l'articolo esplora il potenziale rischio di guasto di MOSFET transistor in sfasato tensione zero commutazione convertitori. analizzando l'ordine di transizione dello stato di commutazione di this topologia particolare, questo il documento si concentra sulle condizioni operative chiave in cui possono verificarsi guasti, così come i punti più sensibili alle sollecitazioni elettriche all'interno di questo topologia. secondo la sequenza di commutazione, questo la topologia è divisa in due parti: "Leader ponte braccio ” e "lag ponte braccio ”. Questo il documento discute alcune caratteristiche elettriche di MOSFET transistor e propone anche una selezione di prodotti idea. nella scelta del tipo si deve considerare l'anticipo del braccio del ponte per trr e Qrr restrizioni. la scelta del tubo dell'interruttore giusto può migliorare l'affidabilità del sistema, ridurre la probabilità di guasto del tubo dell'interruttore e ottenere un design robusto e affidabile.

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