淺談減少擊穿現象

王洪媛，李雪蓮，陳新欣，李志華

(天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 301802)

1 擊穿現象

負載點電源供應系統(POL)或使用點電源供應系統(PUPS)等系統都廣泛采用同步降壓轉換器。這種同步降壓轉換器采用高端幾低端的MOSFET取代傳統降壓轉換器的箝位二極管，以便降低負載電流的損耗。

工程師設計降壓轉換器時經常忽視“擊穿”的問題。每當高端及低端MOSFET同時全面或局部啟動時，便會出現“擊穿”的現象，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地。2004年天津市爾王莊管理處對暗渠勵磁柜進行了改造。運行人員經過多次觀察和研究，對“擊穿”現象提出了幾點改造意見。

擊穿現象會導致電流在開關的一瞬間出現尖峰，令轉換器無法發揮其最高的效率。我們不可采用電流探頭測量擊穿的情況，因為探頭的電感會嚴重干擾電路的操作。我們可以檢查兩個場效應晶體管(FET)的門極/源極電壓，看看是否有尖峰出現。這是另一個檢測擊穿現象的方法。上層MOSFET的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監測。

2 我們可以利用以下的方法減少擊穿現象的出現

2.1 采用設有“固定死區時間”的控制器芯片

這種控制器芯片可以確保上層MOSFET關閉之后會出現一段延遲時間，才讓下層MOSFET重新啟動。這個方法較為簡單，但真正實行時則要很小心。若死區時間太短，可能無法阻止擊穿現象的出現。若死區時間太長，電導損耗便會增加，因為底層場效應晶體管內置的二極管在整段死區時間內一直在啟動。由于這個二極管會在死區時間內導電，因此采用這個方法的系統效率便取決于底層MOSFET的內置二極管的特性。

2.2 采用設有“自適應死區時間”的控制器芯片

采用設有“自適應死區時間”的控制器芯片，這個方法的優點是可以不斷監測上層MOSFET的門極/源極電壓，以便確定何時才啟動底層MOSFET。高端MOSFET啟動時，會通過電感感應令低端MOSFET的門極出現dv/dt尖峰，以致推高門極電壓。若門極/源極電壓高至足以將之啟動，擊穿現象便會出現。自適應死區時間控制器負責在外面監測MOSFET的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實際上會比控制器監控的電壓高。

2.3 預測性門極驅動

此辦法是利用數字反饋電路檢測內置二極管的導電情況以及調節死區時間延遲，以便將內置二極管的導電減至最少，確保系統可以發揮最高的效率。若采用這個方法，控制器芯片需要添加更多引腳，以致芯片及電源模塊的成本會增加。

要注意，即使采用預測性門極驅動，也無法保證場效應晶體管不會因為dv/dt的電感感應而啟動。

2.4 延遲高端MOSFET的啟動

延遲高端MOSFET的啟動也有助減少擊穿情況出現。雖然這個方法可以減少或徹底消除擊穿現象，但缺點是開關損耗較高，而效率也會下降。我們若選用較好的MOSFET，也有助縮小出現在底層MOSFET門極的dv/dt電感電壓振幅。Cgs與Cgd之間的比率越高，在MOSFET門極上出現的電感電壓便越低。

擊穿的測試情況經常被人忽略，例如在負載瞬態過程中——尤其是每當負載已解除或突然減少時——控制器會不斷產生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統都采用多相位設計，利用驅動器芯片驅動MOSFET。但采用驅動器芯片會令擊穿問題更為復雜，尤其是當負載處于瞬態過程之中。例如，窄頻驅動脈沖的干擾，再加上驅動器出現傳播延遲，都會導致擊穿情況的出現。

大部分驅動器芯片生產商都特別規定控制器的脈沖寬度必須不可低于某一最低的要求，若低于這個最低要求，便不會有脈沖輸入MOSFET的門極。

3 結語

生產商也為驅動器芯片另外加設可設定死區時 (TRT)的功能，以增強自適應轉換定時的準確性。辦法是在可設定死區時間引腳與接地之間加設一個可用以設定死區時間的電阻，以確定高低端轉換過程中的死區時間。這個死區時間設定功能加上傳播延遲可將處于轉換過程中的互補性MOSFET關閉，以免同步降壓轉換器出現擊穿情況。