電動(dòng)汽車直流變換器中高壓MOSFET的振蕩分析與改善

周晶晶 ，龐方杰 ，湯天浩

（1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院電氣自動(dòng)化系，上海 201306；2.英飛凌科技(中國)有限公司，上海201203）

引言

傳統(tǒng)汽車電源的直流電主要來自發(fā)電機(jī)，具有體積大、重量重、效率低等缺點(diǎn)。現(xiàn)在電動(dòng)汽車使用DC-DC變換器直接從高壓電池側(cè)取電。動(dòng)力汽車中的高電壓、高電流給功率變換器帶來了很多技術(shù)問題：高壓隔離、潛在的電磁干擾、尺寸大、散熱與高成本等[1]。

鑒于上述問題，電動(dòng)汽車中需要具有隔離傳輸、高可靠性、低EMI等特點(diǎn)的DC-DC變換器。ZVS移相全橋DC-DC變換器利用電路寄生元件實(shí)現(xiàn)器件零電壓開關(guān)[2]，允許高工作頻率，降低開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)高功率密度。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低了電路中功率器件的開關(guān)應(yīng)力，提高了系統(tǒng)的可靠性，適合寬電壓以及寬負(fù)載調(diào)節(jié)。

移相全橋變換需要功率MOSFET體二極管先導(dǎo)通，使漏極電壓降到0再開通器件來實(shí)現(xiàn)ZVS。有研究發(fā)現(xiàn)，在ZVS過程中，器件的體二極管反向恢復(fù)特性差可能會引起器件失效[3]；如果采取外加更快速體二極管來提高反向恢復(fù)能力，但會增加電路成本和復(fù)雜性，也將引起額外的損耗，降低了系統(tǒng)效率；文獻(xiàn)[4]提出了移相全橋變換器中MOSFET的失效模式，并以超前下管為例，認(rèn)為體二極管在漏源極電壓上升之前，如果沒有完成反向恢復(fù)，可能引起體二極管阻斷失敗，殘余的電荷會引起dv/dt，觸發(fā)MOSFET內(nèi)部BJT引起器件損壞。然而該文僅作了分析，并沒有給出實(shí)際失效情況，以及對具有普通體二極管與快速體二極管的MOSFET進(jìn)行對比。

本文研究了ZVS移相全橋DC-DC變換器，采用MOSFET作為的主電路開關(guān)器件，發(fā)現(xiàn)在移相全橋初級開關(guān)管之間的控制脈沖延時(shí)時(shí)間，可能會因某個(gè)脈沖微調(diào)參數(shù)丟失引起個(gè)別脈沖導(dǎo)通延遲的現(xiàn)象。如果其開關(guān)器件體二極管反向恢復(fù)時(shí)，不能及時(shí)清除內(nèi)部載流子，可能造成器件出錯(cuò)損壞，進(jìn)而引起系統(tǒng)工作失效。

本文詳細(xì)分析了MOSFET內(nèi)部體二極管在反向恢復(fù)中可能出現(xiàn)的失效機(jī)理，進(jìn)而比較了體二極管開關(guān)速度對器件延時(shí)導(dǎo)通的影響，發(fā)現(xiàn)快速恢復(fù)二極管能有效克服開關(guān)器件的延時(shí)導(dǎo)通。

因而在ZVS移相全橋初級變換電路中使用CFDA-MOSFET作為開關(guān)器件，具有反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電荷小、導(dǎo)通電阻小的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，在車用高壓到低壓ZVS移相全橋變換器中使用車規(guī)認(rèn)證的快恢復(fù)MOSFET，有助于DC-DC變換器系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠且效率更高。

1 ZVS移相全橋工作原理

移相全橋ZVS的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由全橋逆變器和輸出整流濾波兩部分組成。圖中Vin為輸入直流電壓，二極管D1-D4分別是S1-S4的內(nèi)部體二極管。電容C1-C4分別是S1-S4的輸出電容。電感L1是變壓器的漏感和外部串聯(lián)諧振電感之和。T為變壓器，SR1-SR4是副邊同步整流的開關(guān)管，L2和CR為副邊濾波電感以及濾波電容。LOAD即負(fù)載。 S1、S3為滯后橋臂，S2、S4為超前橋臂。

圖1 移相全橋主電路拓?fù)?/p>

1.1 基本工作原理

通過控制原邊四個(gè)開關(guān)管S1-S4的導(dǎo)通，在AB點(diǎn)得到一個(gè)幅值為Vin的交流方波電壓。經(jīng)過變壓器變比轉(zhuǎn)換，在變壓器的副邊得到一個(gè)幅值為Vin/K的交流方波，其中K=N：1，再經(jīng)過SR1-SR4的整流在CD點(diǎn)得到一個(gè)脈寬為Ton直流方波，其幅值同樣為Vin/K，經(jīng)過L2和CR的濾波，最后在輸出負(fù)載LOAD上得到一個(gè)平滑的直流電壓。其幅值為×D，其中占空比，T為開關(guān)周期[5]。

1.2 工作時(shí)序分析

ZVS移相全橋電路的工作波形時(shí)序如圖2所示，一共有12個(gè)階段，兩種狀態(tài)：主動(dòng)狀態(tài)：對角開關(guān)管導(dǎo)通，如S1+S4或S2+S3；被動(dòng)狀態(tài)：母線同側(cè)開關(guān)管導(dǎo)通，如S1+S2或S3+S4。前六個(gè)階段和后六個(gè)階段類似，能量在主動(dòng)狀態(tài)下傳輸[6]。

1.3 ZVS實(shí)現(xiàn)條件

在移相全橋拓?fù)潆娐分?，零電壓開通是通過變壓器的漏感或者串聯(lián)電感與開關(guān)器件的輸出電容諧振實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)移相全橋的基本特性可知，滯后橋臂相對超前橋臂比較難實(shí)現(xiàn)ZVS[7]。

圖2 移相全橋電路工作時(shí)序

滯后橋臂S1、S3實(shí)現(xiàn)ZVS的條件是：

式中：Ip1為 S1，S3開通關(guān)斷時(shí)的原邊電流；L1為原邊漏感和外串電感之和；Ctr為變壓器繞組電容。

超前橋臂S2、S4實(shí)現(xiàn)ZVS的條件是：

其中，Ip為 S2，S4開通關(guān)斷時(shí)的原邊電流；L2p為副邊濾波漏感反射到原邊的電感。

2 原邊器件失效機(jī)理分析

2.1 導(dǎo)通延遲現(xiàn)象描述

在移相全橋的運(yùn)行過程中，若ZVS條件能夠滿足，則開關(guān)管可實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)。即先有漏極電壓降為0，然后才有柵極電壓開始上升，波形如圖3（a）所示。若負(fù)載較小，ZVS條件不能滿足，則開關(guān)管工作在硬開關(guān)或者部分軟開關(guān)狀態(tài)，即有柵極電壓在經(jīng)歷米勒平臺后，接下來有漏極電壓開始下降，波形如圖 3（b）所示。

實(shí)際系統(tǒng)中，采用原邊電流形成閉環(huán)并作為延時(shí)時(shí)間的微調(diào)參數(shù)，可能會由于電流傳感器以及采樣電路器件的原因引起某個(gè)脈沖的延時(shí)時(shí)間中微調(diào)參數(shù)的丟失，從而導(dǎo)致單個(gè)脈沖的導(dǎo)通延遲現(xiàn)象，比如 S1，S3的延時(shí)參數(shù)為 TAB[8]。

圖3 滯后橋臂開關(guān)管正常波形

其中，RAB，KA均為常數(shù)，CS是電流傳感器感應(yīng)過來經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電壓，作為實(shí)時(shí)的延時(shí)微調(diào)參數(shù)。如果在某個(gè)脈沖的時(shí)候，CS丟失為0,則會引起TAB的增加，即個(gè)別脈沖導(dǎo)通延遲現(xiàn)象。如圖4（a）黑圈所示，圖4（b）為黑圈的放大部分。

可以發(fā)現(xiàn)除了圈中S3的漏源極電壓降到零，管子仍然沒有開通之外，其余的脈沖都正常實(shí)現(xiàn)ZVS開通。這種現(xiàn)象對本身就難以實(shí)現(xiàn)ZVS的滯后橋臂影響更大，在諧振谷開通可以實(shí)現(xiàn)ZVS，但是延遲滯后，就使滯后管直接工作硬開關(guān)狀態(tài)下，更加考驗(yàn)器件體二極管的反向恢復(fù)能力。

2.2 器件失效分析

結(jié)合上述實(shí)際工作波形，圖5給出了軟開關(guān)條件下，開關(guān)管延時(shí)開通時(shí)的電路的工作模態(tài)。T是變壓器，副邊簡略未畫。其中虛線為S1出錯(cuò)的內(nèi)部電流走向。首先S1，S2導(dǎo)通，也就是圖5中（1）表示的路線，iDS1正向流， 回路為 S1、T、S2； 然后 S1關(guān)斷，C1開始充電，C3放電，iD1由正向開始下降，當(dāng)iDS1下降到0的時(shí)候，S3仍然沒有開通，電流變負(fù)經(jīng)過S1的體二極管 D1并使其導(dǎo)通，回路為 S2、T、D1，也就是圖5 中（2）；iDS1電流負(fù)向，這時(shí)候打開 S3，有反向電壓加在D1上，強(qiáng)制對D1的電流進(jìn)行換向，如圖5中（3）。

圖4 滯后橋臂開關(guān)管脈沖延遲現(xiàn)象

體二極管上的反向電壓會在清除二極管中的剩余載流子的同時(shí)，產(chǎn)生反向恢復(fù)電流尖峰，并造成電壓電流的振蕩。

圖5 開關(guān)管延時(shí)開通下的模態(tài)分析

2.3 改善器件失效的措施

通過上述分析，體二極管影響器件的失效主要和器件體二極管的dv/dt耐用性及剩余載流子數(shù)量，即器件的反向恢復(fù)特性（Irrm，trr），換流有關(guān)。

現(xiàn)如今有很多辦法去改善體二極管的問題[3，9]，比如遏制MOSFET本身體二極管的導(dǎo)通，而并聯(lián)更快的快恢復(fù)二極管或者增加其他器件來縮短反向恢復(fù)的時(shí)間。不過這些方法增加了成本的同時(shí)，也使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，而且增加的器件也會引起額外的消耗，降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。

所以，系統(tǒng)中改善體二極管引起損壞的有效途徑是：器件本身體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電流尖峰和電壓尖峰都比較小，而且換流耐用性高、內(nèi)阻低等。

英飛凌650V COOLMOS CFDA是高壓功率MOSFET創(chuàng)新性的技術(shù)，其設(shè)計(jì)基于超級結(jié)（SJ）原理[10]。它包含了SJ MOSFET所有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有極快速體二極管。擁有非常低的開關(guān)損耗，換向損耗以及導(dǎo)通損耗，穩(wěn)定性高，具有自限制dv/dt及di/dt能力，并通過汽車行業(yè)的AEC-Q101認(rèn)證。這些特點(diǎn)使COOMOS在諧振開關(guān)應(yīng)用中更加可靠、高效、輕便并且散熱更好。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹及結(jié)果

3.1 系統(tǒng)介紹

現(xiàn)采用英飛凌IPW65R080CFDA作為ZVS移相全橋變換器原邊的開關(guān)器件，設(shè)計(jì)一款用于電動(dòng)汽車高壓到低壓的DC-DC變換器，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。變換器的系統(tǒng)參數(shù)如表1。

整個(gè)系統(tǒng)保證在800 W的時(shí)候，滯后橋臂能實(shí)現(xiàn)ZVS。據(jù)上述分析，滯后橋臂的下管比較難實(shí)現(xiàn)ZVS，尤其在輕載條件下更難實(shí)現(xiàn)ZVS，負(fù)載越大越容易實(shí)現(xiàn)ZVS，所以為保證輕載條件實(shí)現(xiàn)ZVS，往往在變壓器原邊串聯(lián)一個(gè)諧振電感用于存儲能量使輕載時(shí)能夠有足夠能量完成零電壓開關(guān)。

圖6 車用移相全橋DC-DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

Inverter模塊中使用器件的反向恢復(fù)電荷越低，反向恢復(fù)清除內(nèi)部載流子的速度也越快，反向恢復(fù)電流尖峰越小，反向恢復(fù)時(shí)間也越短，即減小了反向恢復(fù)過程，同時(shí)降低體二極管帶來的損耗，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率[11]。CFDA具有極低的反向恢復(fù)電荷,下面用實(shí)驗(yàn)說明帶有快速體二極管的CFDA在系統(tǒng)中可靠性方面的優(yōu)勢。

3.2 CFDA與C3在同平臺下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如前分析，移相全橋電路中出現(xiàn)滯后橋臂脈沖延遲開通的情況下，器件體二極管的性能直接影響器件的出錯(cuò)甚至損壞，從而可能造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。下面在移相全橋中分別使用新型帶有快速體二極管的CFDA與帶普通體二極管的C3，驗(yàn)證帶有快速體二極管的CFDA在移相全橋中的優(yōu)勢。

實(shí)驗(yàn)分別在移相全橋負(fù)載為400 W，800 W，1 200 W下對比兩種器件在異常情況下體二極管的反向恢復(fù)特性。圖7為400 W下波形，其中（a）為C3波形，（b）為CFDA的波形。圖8為800 W下波形，其中（a）為C3波形，（b）為 CFDA的波形。 圖9為 1 200 W 下波形，其中（a）為 C3 波形，（b）為 CF-DA的波形。

圖7 400W脈沖延遲時(shí)的波形

圖8 800W脈沖延遲時(shí)的波形

圖9 1 200W脈沖延遲時(shí)的波形

根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形，可以得到CFDA與C3不同功率下尖峰電流的測量值，如表2。

表2 不同功率下CFDA與C3的尖峰電流

在400 W與800 W負(fù)載情況下遇到異常波形時(shí)，C3反向恢復(fù)的尖峰電流明顯比CFDA的要大，當(dāng)負(fù)載加到1 200 W的時(shí)候，同樣的平臺條件下，CFDA可以正常工作，而C3在這時(shí)候，由于體二極管中的載流子沒有及時(shí)清除，產(chǎn)生很多的振蕩波形，從而觸發(fā)了器件內(nèi)部BJT致使器件最終損壞,系統(tǒng)工作失效。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，CFDA的快速體二極管在反向恢復(fù)特性方面相對C3的優(yōu)勢。尤其在較高負(fù)載下出現(xiàn)脈沖延遲現(xiàn)象的時(shí)候，帶有快速體二極管的CFDA在較高負(fù)載下仍然可以正常工作，而帶有普通體二極管的C3卻不能穿越這種故障，CFDA甚至在2 kW的負(fù)載下也正常工作。可見CFDA在移相全橋中能夠穿越故障并減小器件失效幾率，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

本文闡述了ZVS移相全橋拓?fù)湓陔妱?dòng)汽車高壓到低壓DC-DC變換器中的的優(yōu)勢，結(jié)合拓?fù)渲赋隽艘葡嗳珮虺跫壒β势骷诔霈F(xiàn)開通延遲現(xiàn)象時(shí)由于體二極管性能差可能引起的一些失效機(jī)理，并且分析了失效機(jī)理和MOSFET體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，反向恢復(fù)電流尖峰，以及器件的換流耐用性的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，英飛凌新型COOLMOS CFDA系列的高壓功率器件內(nèi)部體二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，導(dǎo)通電阻小，而且換流耐用性強(qiáng)，可靠性高并且易于使用，變換器在使用了該功率器件后，可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)降低改善器件失效情況，提高系統(tǒng)的可靠性。

[1]RANDY F.Power Conversion.Auto electronics,november/December.2007：8-24.

[2]SANDRA Z,TOMAS R,DIETER G.Analysis of Rectifier Topologies for Automotive HV to LV Phase Shift ZVT DC/DC Converter[A].15thInternational Power Electronics and Motor Control Conference[C].Novi Sad,2012：DS1b.4-1-DS1b.4-7.

[3]LEO S,KENNETH D,RICHARD R.High-Voltage MOSFET Behavior in Soft-Switching Converters：Analysis and Reliability Improvements[A].Telecommunications Energy Conference[C].San Francisco,CA,1998：30-40.

[4]ALEXANDER F,THOMAS W.MOSFET Failure Modes in the Zero-Voltage-Switched Full-Bridge Switching Mode Power Supply Applications[A].IEEE Sixteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition[C].Anaheim,CA,2001：1247-1252.

[5]殷文貴.移相全橋ZVS變換器研究[D].上海：上海交通大學(xué),2012.

[6]RICHARD R,NATHAN O S,LASZLO B.A novel softswitching full-bridge DC/DC converter：analysis,design considerations,and experimental results at 1.5 kW[A].21st Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference[C].San Antonio,TX,USA,1990：162-172.

[7]SAMPAT S,MARK R,BOB B.FCS Fast Body Diode MOSFET for Phase-shifted ZVS PWM Full Bridge DC/DC Converter.Fairchild semiconductor,2005：1-9.

[8]Phase-Shifted Full-Bridge Controller With Synchronous Rectification.Texas Instruments.2012.

[9]DAKSHINA M B,MARIAN K K.DC-DC converters for electric vehicle applications[A].Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo[C].Nashville,TN,2007：286-293.

[10]CFDA Automotive 650V COOLMOS CFDA Power Transistor IPW65R190CFDA.Infineon datasheet.2012：1-16.

[11]MENTE R,DI D F,KUTSCHAK M A,STEINER A.CoolMos CFD2 first 650V rated super junction mosfet with fast body diode suitable for resonant topologies.Infineon Application notes.2011：1-20.