高低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種可逆電子設(shè)備，可將車輛高壓（400 V 或 800 V）電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓（12 V）。這些轉(zhuǎn)換器可以是單向的或雙向的。典型功率水平為 1 kW 至 3 kW，系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換器高壓電網(wǎng)（初級側(cè)）額定電壓為 650 V 至 1,200 V 的組件，12 V 電網(wǎng)（次級側(cè)）至少需要 60 V 的組件。
　　對更大功率密度和更小動力系統(tǒng)的需求導致功率組件的開關(guān)頻率提高到數(shù)百千赫茲，以幫助縮小磁性組件的尺寸。高低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的小型化暴露了許多在較低開關(guān)頻率下并不那么重要的問題，例如電磁兼容性 (EMC)、散熱和金屬氧化物半導體場效應晶體管的有源鉗位（MOSFET）。在本電源技巧中，我將討論高開關(guān)頻率下同步整流器 MOSFET 的鉗位電路設(shè)計。
　　傳統(tǒng)有源鉗位　　圖 1所示的移相全橋 (PSFB)是高低壓 DC/DC 應用中常用的拓撲，因為它可以實現(xiàn)開關(guān)軟切換，從而提高轉(zhuǎn)換器效率。但您仍然可以預期同步整流器上會出現(xiàn)高壓應力，因為其寄生電容與變壓器漏感諧振。整流器的電壓應力可能高達公式 1：

    V ds_max = 2V IN x (N s /N p ) (1)

　　其中 Np 和 Ns 分別是變壓器的初級和次級繞組?！　】紤]到高低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率水平以及電阻電容二極管緩沖器 [1] 的功率損耗，設(shè)計人員通常對同步整流 MOSFET 使用有源鉗位電路。圖 1 顯示了典型電路。

　　圖 1 PSFB 同步整流 MOSFET 的傳統(tǒng)有源鉗位電路。資料德州儀器
　　在此原理圖中，您可以看到 P 溝道金屬氧化物半導體 (PMOS) Q9 和緩沖電容器，它們是有源鉗位電路的主要部件。緩沖電容的一端連接到輸出扼流圈，PMOS 的源極接地。在傳統(tǒng)的PSFB有源鉗位電路中，同步整流MOSFET Q5和Q7的方案相同； Q6和Q8也是如此。每次同步整流MOSFET關(guān)斷后，PMOS都會在適當?shù)难舆t時間后導通?！　D 2顯示了 PSFB 和有源鉗位的控制方案。您可以輕松發(fā)現(xiàn) PMOS 的開關(guān)頻率將是 f sw的兩倍。

　　圖 2有源鉗位 PMOS Q9 的控制方案，其中 PMOS 的開關(guān)頻率是 f sw 的兩倍。資料德州儀器
　　評估有源鉗位損耗
　　您可以使用公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6 來評估有源鉗位 PMOS 的損耗。除了 P on_state之外，所有其他損失都與 f sw成正比。當 PMOS 的開關(guān)頻率加倍時，損耗也會加倍，因此您需要解決 PMOS 的散熱問題。當提高 f sw以滿足小型化的需求時，確切的熱問題會變得更加嚴重。
　　P on_state = I rms 2 x R dson                                (2)
　　P開啟= 0.5 x V ds x I on xt on xf sw        (3)
　　P關(guān)閉= 0.5 x V ds x I關(guān)閉xt關(guān)閉xf sw        (4)
　　P驅(qū)動= V驅(qū)動x Q g xf sw                                    (5)
　　P二極管= I緩沖器x V sd xt d xf sw                  (6)
　　提議的有源鉗位　　那么，你能做什么呢？選擇品質(zhì)因數(shù)（FOM）更好的PMOS還是選擇導熱系數(shù)更高的導熱硅脂？兩者都可以，但請記住，有源鉗位引起的熱問題仍然集中在一個部分，這使得問題難以解決。我們可以將熱量分成幾個部分嗎？一種可行的方法是使用兩個有源鉗位電路，并將緩沖電容器的端子連接到次級橋臂的開關(guān)節(jié)點，如圖3所示。那么只能在Q5、Q7關(guān)斷后才開啟Q11，只有在Q6、Q8關(guān)斷后才開啟Q10。圖 4顯示了 PSFB 的控制方案和建議的有源鉗位。

　　圖 3建議的 PSFB 同步整流器 MOSFET 有源鉗位電路。資料德州儀器

　　圖 4 PSFB 的控制方案和建議的有源鉗位。資料德州儀器
　　當Q5和Q7關(guān)斷時，Q6和Q8仍然導通。因此，您可以找到 Q5 和 Q7 的鉗位環(huán)路，如圖 3 中的綠色箭頭所示。Q10 和 Q11 的開關(guān)頻率均為 f sw，而不是 f sw的兩倍。
　　因此，根據(jù)公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6，每個 PMOS 的 P on_state將是原始值的四分之一，Pturn_on 、 Pturn_off 、 Pdrive和Pdiode將是原始值的一半。顯然，所提出的方法將鉗位電路的損耗分為兩部分甚至更少，這使得更容易處理熱問題。
　　讓我們回到夾環(huán)。 Q5 的環(huán)路比 Q7 的環(huán)路大；與Q6和Q8類似。您需要注意同步整流器的布局，以獲得 Q5 和 Q6 的最小鉗位環(huán)路。
　　建議的有源鉗位性能　　圖 5和圖 6顯示了來自德州儀器 (TI) 的采用 GaN HEMT 的高壓至低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計的相關(guān)測試，該轉(zhuǎn)換器使用建議的工作在 200kHz 開關(guān)頻率的有源鉗位電路。圖 5 顯示了整流器的電壓應力。

　　圖 5整流器的電壓應力 其中 CH1 是整流器的V gs ，CH2 是整流器的 V ds，CH3 是變壓器初級繞組的電壓，CH4 是變壓器初級繞組的電流。資料德州儀器　　CH1是整流器的V gs ，CH2是整流器的V ds，CH3是變壓器初級繞組的電壓，CH4是變壓器初級繞組的電流。在 400 V IN、 13.5 V OUT、 250-AI OUT條件下，整流器的最大電壓應力低于 45 V。有源鉗位電路在 400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT [2]下的最高溫度為 46.6°C ，如圖 6 所示。因此，所提出的控制方案為鉗位 MOSFET 實現(xiàn)了相當好的熱性能。

　　圖 6有源鉗位電路的熱性能，其中在 400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT條件下，有源鉗位電路的最高溫度為 46.6°C 。資料德州儀器
　　500kHz 有源鉗位，無熱問題
　　當開關(guān)頻率從200 kHz提升到500 kHz時，變壓器的體積將縮小約45%[2]，這將有助于提升高壓至低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率密度。采用所提出的方法，BOM 成本會增加一點，但設(shè)計人員可以在 500kHz 開關(guān)頻率下運行有源鉗位，而不會出現(xiàn)熱問題，從而提高性能?？紤]到 PMOS 的脈沖漏極電流遠小于 NMOS，如有必要，設(shè)計人員還可以在具有隔離驅(qū)動器和偏置電源的有源鉗位中使用 NMOS。