级联 MOSFET 中高压转换器的设计注意事项

[导读]金属氧化物半导体场效应管（英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），简称金氧半场效晶体管是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”的极性不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常又称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。

金属氧化物半导体场效应管（英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），简称金氧半场效晶体管是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”的极性不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常又称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。

只要让MOSFET有一个导通的阈值电压，那么这个MOSFET就导通了。那么在我们当前的这个电路中，假设GS电容上有一个阈值电压，足可以让MOSFET导通，而且电容没有放电回路，不消耗电流。那么DS导通，理论上等效电阻无穷小，我们把这个等效电阻称之为Rdson。当MOSFET电流达到最大时，则Rdson必然是最小的。对于MOSFET来说，Rdson越小，价格也就越贵。我们说MOSFET从不导通变为导通，等效内阻Rdson从无穷大变成无穷小，当然这个无穷小也有一个值的。MOSFET导通了，但是它没有回路。

级联 MOSFET 配置为智能电表和电机驱动器等高压应用提供了一种低成本的替代方案。为了进一步了解级联 MOSFET 配置如何在高压转换器中工作，图 1 显示了一个由开关与二极管和电容器并联建模的 MOSFET。除了开关、二极管和并联电容器之外，我们还必须考虑顶部 MOSFET 的栅源电容 C g。

在这篇文章中，我将讨论使用级联 MOSFET 配置时的两种可能的工作条件：V in < V Zc和 V in ≥ V Zc，其中 V Zc是齐纳二极管 Z C的钳位电压。

图 1：级联 MOSFET 配置中的反激式转换器

V in < V Zc

当转换器首次上电时，电容器C C将通过R 1充电至V in。一旦控制器偏置电压充电到欠压锁定 (UVLO) 阈值以上，开关 S 1就会打开。如图 2 所示，当 S 1开启时，C C中的能量转移到 C g并导致 C g 上的电压增加。为了开启S 2 ，需要将Z 2的钳位电压设置为高于顶部MOSFET的栅源阈值电压(V gs(th) )。在 C g中有足够的能量很重要在底部 MOSFET 导通后的整个导通状态期间保持顶部 MOSFET 导通。换句话说，C C不能太小。有时，Z C的寄生电容可能不够，需要一个与 Z C并联的外部电容。

图 2：MOSFET 开启瞬态

当底部的 MOSFET 关闭时（图 3），来自变压器的电流会快速为 C 1充电。C g放电，能量再次回到 C C。一旦C g放电到低于V gs(th)的电压电平，S 2关闭并且C 2充电。

图 3：MOSFET 关断瞬态 (V in < V Zc )

V in ≥ V Zc

当 V in ≥ V Zc时，低侧 MOSFET 导通瞬态期间的电流方向与 V in < V Zc时的电流方向完全相同。在低侧 MOSFET 关断瞬态期间，变压器电流对 C g放电，然后流过 C C和 Z C，如图 4 所示。在此瞬态中，Z C充当缓冲器并将低侧 MOSFET 电压钳位到V Zc + V F_Z2，其中 V F_Z2是 Z 2的齐纳正向压降。

图 4：MOSFET 关断瞬态（V in ≥ V Zc）

在 S 1已经关断之后，S 2的关断延迟时间越长，流经 S 2到 Z C的电流就越大，这可能会导致 Z C出现热问题。下面的图 5 显示了一个关断瞬态示例。如我们所见，在 S 1完全关闭后，S 2开始关闭。在瞬态中，S 1已经关闭，而 S 2正在开启。浪涌电流流过 Z C ，这会导致齐纳二极管 Z C出现热问题。