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動方法,與采用BJT時相比,既有優點也有缺點?MOsFET電路的主要優點是開關過程中無需加入延時,因而消除了開關器件的交疊時間,也無需插入死區時間?因此諧振電壓波形接近純正弦波,諧波含量極少?

    本文將不再重復電源適配器電感和變壓器的設計方法以及諧振電路的理論,不再討論Q值和環流?還有逆變器工作其他相關細節,因為這些內容充電器廠家玖琪在以前已經做了充分的討論?本文的MOSFET電路采用相似的設計過程?

    由前面內容可知,諧振式熒光燈鎮流器的基本電路是相同的,即自激振蕩電流反饋型井聯諧振式正弦波逆變器?電源適配器電路使用的開關器件是BT?也許看上去用MOSFET替換BT?并將驅動電路進行適當的改變后,電路的功能是完全一樣的?然而,這樣做經常導致可靠性降低,性能也不令人滿意?MOSFET電路的驅動電路設計與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的柵極驅動電路需要加入延時以模擬因基極存儲電荷的復合時間而使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斷?在扼流圈驅動電路中,為了避免破壞性的高瞬態電壓,必須為串聯饋電扼流圈的電流提供連續流通的回路?還有一點不是那么顯而易見,即應在高輸入電壓施加前開始振蕩過程,以避免災難性故障的發生?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逆變器的最基本電路,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,應對其做哪些必要的修改?

    在圖所示的復讀機電源適配器基本電路中,柵極驅動電路與雙穩態多諧振蕩器十分相像?電源適配器電路一旦啟動,就可以在穩態條件下運行良好,無需做任何修改?然而,稍后就可以發現,有個問題使電路不能可靠啟動,為了解決這一問題,應做如下的修改?

    考慮以下啟動條件:輔助電壓VA已經建立,輸入電壓VN也已經施加,且電路已經運行于穩態?(本例中相對于公共端,VA為18VDC,VN為250VDC?)

    在這種條件下,并聯諧振電容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最小,扼流圈L1的電感值相當大(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的工作狀態以及由變壓器原邊電感和C構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

       穩態時諧振電路能夠自動將L1的電壓調節至0,因為每個周期內磁通的正向變化和反向變化必須相等?這使每個周期內L1的凈電流變化為0,平均電流保持為負載需要的大小?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,應注意選加正弦波電壓的峰值出現在原邊的一半繞組上的同時,P1一端的電壓被導通的MOSFET固定在0V?因此峰值電壓應力施加于整個原邊,以及關斷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中的一個處于導電的導電狀態另一個處于阻斷電流的關斷狀態,兩個電阻R1和R:為柵極上拉電阻,當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關斷)?當漏極電壓升至超過VA時,三極管變為反向偏置,柵極電阻使另一個MOSFET的柵極電壓等于VA,使MOSFET開通

       現在做進一步分析,考慮Q1關斷Q2導通的某一瞬間,假設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保持關斷狀態?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開始導通,且Q2柵極的驅動電壓開始降低?由于MOSFET的柵極闊值電壓V典型值為3V,當Q:漏極電壓降至約2.3V時Q2將完全關斷,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Q2漏極電壓一超過18V,D2將反向偏置18V電壓降經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?由此一個器件導通至另一個器件導通的轉換是完全連續的,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均關斷的時間?然而電路中的分布電容在這段短暫的時間內(25ns)為L的電流提供了通路,這足以抑制嚴重的瞬態過電壓。

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,這個狀態將持續下去?因此P1兩端電壓保持為0,振蕩不會開始?當直流電壓施加后,兩個漏極電壓將同時升高,當升至約2.3V時,兩個柵極電壓都將超過V(約為3V)?這時兩個MOSFET將進入線性導通狀態并保持該狀態,電流不受限制地增加,從而迅速導致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,并且與負載和連接至MOSFET柵極的正反饋數量有關,這個問題將在下一節進行討論。

由于啟動時MOSFET工作在線性區或準線性區,而且只有在P1兩端電壓完全建立后才開始交替地導通和關斷,此過程必須在二極管D和D2導通前發生?以下措施可以確保這一點。