做高壓串聯(lián)MOS管這個(gè)課題其實(shí)是給之前的固態(tài)開(kāi)關(guān)項(xiàng)目做技術(shù)復(fù)盤(pán)。當(dāng)時(shí)要做一個(gè)3kV直流母線的快速投切裝置翻遍了目錄冊(cè)單管1200V的CoolMOS最合適但耐壓擺在那里怎么算都差一口氣。后來(lái)把方案改成兩只900V的管子串聯(lián)才把系統(tǒng)穩(wěn)定跑起來(lái)。那段時(shí)間把串聯(lián)均壓、浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)不均壓的坑踩了個(gè)遍今天把這些東西系統(tǒng)整理一遍希望能給同樣在高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)、脈沖電源、直流斷路器領(lǐng)域折騰串聯(lián)MOS管的朋友一些參考。先說(shuō)實(shí)話MOS管串聯(lián)這件事原理上看起來(lái)只是“兩個(gè)開(kāi)關(guān)疊起來(lái)用”但實(shí)際做起來(lái)每一個(gè)細(xì)節(jié)都在跟你不講道理。阻斷了要解決漏電流不均開(kāi)通關(guān)斷了要解決寄生電容不均驅(qū)動(dòng)側(cè)要解決高壓浮動(dòng)供電布局上還要跟高壓爬電和回路電感較勁。任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)處理好輕則發(fā)熱不均重則炸管。下面從原理到工程落地把整個(gè)設(shè)計(jì)鏈路攤開(kāi)來(lái)講。1. 為什么單管耐壓不夠時(shí)串聯(lián)是繞不開(kāi)的選擇1.1 串聯(lián)MOS管的典型應(yīng)用場(chǎng)景先說(shuō)大家最常用的應(yīng)用場(chǎng)景。電力電子里頭直流母線電壓超過(guò)單管耐壓的情況非常常見(jiàn)直流固態(tài)斷路器DC Solid-State Breaker母線電壓1.5kV~3kV要快速切斷故障電流IGBT可以但速度不夠MOS管串聯(lián)是不錯(cuò)的選擇。高壓脈沖電源比如醫(yī)療美容的射頻電源、靜電除塵電源、粒子加速器調(diào)制器動(dòng)輒5kV以上的脈沖單管根本沒(méi)法做。高壓直流充電/放電設(shè)備特別是那種電池組串聯(lián)充放電管理的高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。逆變器里的多電平電路的輔助開(kāi)關(guān)雖然不是嚴(yán)格的串聯(lián)但耐壓策略是同一個(gè)思路。在這些場(chǎng)合與其花大價(jià)錢(qián)買(mǎi)超高壓IGBT不如用成熟的低壓MOS管做串聯(lián)既能保持MOS管的高頻特性成本上也可控。1.2 串聯(lián)電路的三個(gè)不均勻是全部問(wèn)題的源頭MOS管串聯(lián)之后理想的模型是兩個(gè)理想開(kāi)關(guān)串聯(lián)電壓自然均分。但實(shí)際器件有三個(gè)維度不可能完全一致這也是所有串并聯(lián)器件設(shè)計(jì)的核心矛盾阻斷態(tài)漏電流不一致每個(gè)管子內(nèi)部的體二極管反偏漏電流(I_{DSS})不同。漏電大的管子會(huì)先承壓漏電小的管子承受過(guò)高電壓。寄生電容不一致(C_{iss})、(C_{oss})、(C_{rss})在制造工藝上存在離散性開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中電容分壓導(dǎo)致電壓不均。驅(qū)動(dòng)時(shí)序不一致兩個(gè)管子如果柵極信號(hào)到達(dá)時(shí)間有偏差哪怕只有幾十納秒先關(guān)斷的管子會(huì)扛下絕大部分母線電壓瞬間過(guò)壓。這三點(diǎn)是整個(gè)串聯(lián)設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。后面所有的均壓電路和驅(qū)動(dòng)策略本質(zhì)上都是在跟這三個(gè)不均勻作斗爭(zhēng)。1.3 很多人問(wèn)串聯(lián)是不是直接連在一起就行了這個(gè)問(wèn)題我在技術(shù)群里見(jiàn)過(guò)不下十次。直接連空載靜態(tài)測(cè)試也能開(kāi)但動(dòng)態(tài)一上去就出事。拿一個(gè)實(shí)際經(jīng)歷來(lái)說(shuō)我最早驗(yàn)證串聯(lián)方案時(shí)直接把兩只900V管子的D-S首尾相連柵極驅(qū)動(dòng)用兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)發(fā)生器各發(fā)各的PWM。靜態(tài)電壓分配看起來(lái)還行但用示波器一看開(kāi)關(guān)瞬態(tài)低壓側(cè)管子靠近負(fù)母線那個(gè)關(guān)斷瞬間Vds尖峰干到了1100V直接擊穿。管子炸了之后我才意識(shí)到兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)延遲差了幾十納秒這在低速開(kāi)關(guān)心態(tài)下無(wú)所謂但在高壓串聯(lián)語(yǔ)境下就是致命的。所以串聯(lián)設(shè)計(jì)從第一步就要把均壓當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題來(lái)對(duì)待而不是靠管子自己分?jǐn)偂?. 阻斷態(tài)均壓靜態(tài)漏電流帶來(lái)的靜悄悄的分布不均2.1 為什么漏電流差異會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)不均壓靜態(tài)均壓是最直觀的問(wèn)題。MOS管在阻斷狀態(tài)下等效為一個(gè)高阻值電阻并聯(lián)一個(gè)小電流源漏電流 (I_{DSS})。這個(gè)漏電流大約是微安到毫安級(jí)取決于結(jié)溫和器件批次。兩只管子串聯(lián)時(shí)流過(guò)它們的漏電流必須相等因?yàn)橥恢冯娏魈幪幭嗟鹊恐还茏幼陨淼穆╇娔芰Σ灰粯印枰?xì)說(shuō)一點(diǎn)如果管1漏電能力強(qiáng)等效電阻小在相同的電壓下它能流過(guò)的漏電流更大。但串聯(lián)支路電流只有一個(gè)所以管1只分到較小的電壓就能維持這個(gè)電流管2則要分到較大的電壓。結(jié)果漏電流大的管子被自動(dòng)降壓漏電流小的管子承受更高電壓。溫度升高后MOS管的漏電流指數(shù)上升差異進(jìn)一步拉大形成一個(gè)正反饋嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致單管擊穿。2.2 靜態(tài)均壓電阻的選擇與計(jì)算解決辦法是給每只管子在D-S之間并聯(lián)一個(gè)阻值遠(yuǎn)小于漏電流等效電阻的均壓電阻。這樣一來(lái)流過(guò)電阻的電流占據(jù)了主導(dǎo)漏電流的差異就被淹沒(méi)了。均壓電阻的選型經(jīng)驗(yàn)值流過(guò)電阻的電流取最大漏電流的5~10倍。設(shè)母線電壓 (V_{DC}) 2000V3只900V的MOS管串聯(lián)留20%降額每只管子按數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱(I_{DSS}) 100μA典型值實(shí)際可能到1mA。阻值計(jì)算[ R_{balance} \frac{V_{DC}/N}{I_R} ]取(I_R 10 \times 1mA 10mA)則[ R_{balance} \frac{2000/3}{0.01} \approx 66.7k\Omega ]功耗[ P_{R} \frac{(V_{DC}/N)^2}{R_{balance}} \frac{(667)^2}{66.7k} \approx 6.7W ]看到?jīng)]這個(gè)功耗相當(dāng)可觀。這也是為什么高壓串聯(lián)應(yīng)用中均壓電阻必須選大功率、低溫度系數(shù)的類(lèi)型而且還要留熱設(shè)計(jì)余量。實(shí)際調(diào)試中我用過(guò)2W的電阻溫度飆升到明顯燙手后來(lái)?yè)Q了5W的鋁殼電阻才穩(wěn)定。一個(gè)實(shí)際折中方案如果母線電壓長(zhǎng)期不會(huì)頂?shù)阶畲笾悼梢赃m當(dāng)增大阻值、減小均壓功耗但要通過(guò)最?lèi)毫庸r評(píng)估靜態(tài)不均壓的最大電壓偏移確保任何一只管子都不超過(guò)80%的額定耐壓。2.3 均壓電阻對(duì)動(dòng)態(tài)均壓的幫助有限很多人以為并聯(lián)了大電阻動(dòng)態(tài)問(wèn)題也順帶解決了這是誤解。均壓電阻的阻值在幾千歐到幾十千歐而MOS管的寄生電容在皮法到納法級(jí)。開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的時(shí)間尺度是納秒到微秒在這個(gè)尺度上電容的阻抗遠(yuǎn)小于電阻動(dòng)態(tài)電壓分布主要由電容決定電阻幾乎不起作用。所以靜態(tài)均壓電阻解決的是阻斷時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定狀態(tài)的均壓?jiǎn)栴}動(dòng)態(tài)均壓必須另想辦法。3. 開(kāi)關(guān)瞬態(tài)均壓真正決定成敗的硬骨頭3.1 關(guān)斷瞬態(tài)的電壓分配機(jī)制先看最危險(xiǎn)的情況——關(guān)斷過(guò)程。兩只串聯(lián)MOS管假設(shè)原始驅(qū)動(dòng)時(shí)序完全同步。關(guān)斷時(shí)管子從導(dǎo)通過(guò)渡到阻斷D-S間電壓從接近于0開(kāi)始上升。在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中母線電壓的分配主要由兩只管子輸出電容(C_{oss})的比值決定。按照電容分壓原理電壓分配與電容成反比初始階段電容小的管子電壓上升得快電容大的管子電壓上升得慢。如果(C_{oss})差異大或者驅(qū)動(dòng)時(shí)序有偏差先關(guān)斷的管子退出飽和區(qū)承擔(dān)全部母線電壓后關(guān)斷的管子還處于低阻狀態(tài)電壓幾乎為零。這瞬間的過(guò)壓就是炸管的第一大元兇。開(kāi)通瞬態(tài)的情況剛好反過(guò)來(lái)。后開(kāi)通的管子先承受高壓先開(kāi)通的管子優(yōu)先導(dǎo)通把電壓甩給另一個(gè)還沒(méi)開(kāi)通的管子同樣危險(xiǎn)。3.2 米勒效應(yīng)對(duì)串聯(lián)均壓的致命影響這里必須重點(diǎn)講米勒效應(yīng)因?yàn)檫@個(gè)概念經(jīng)常被誤解。MOS管的柵極和漏極之間存在寄生電容(C_{gd})也稱米勒電容(C_{rss})。在關(guān)斷過(guò)程中當(dāng)柵極電壓下降到米勒平臺(tái)電壓時(shí)漏極電壓開(kāi)始上升變化的(V_{ds})通過(guò)(C_{gd})向柵極注入位移電流這個(gè)電流方向是從柵極抽走電荷相當(dāng)于在抵抗柵極電壓下降。在串聯(lián)系列中如果兩只管子的(C_{gd})差異較大它們通過(guò)米勒效應(yīng)自我剎車(chē)的程度就不同。(C_{gd})大的管子米勒效應(yīng)強(qiáng)關(guān)斷速度變慢電壓上升慢(C_{gd})小的管子關(guān)斷速度快電壓上升快。這進(jìn)一步加劇了瞬態(tài)不均壓。更讓人頭疼的是(C_{gd})是強(qiáng)非線性電容隨(V_{ds})變化能變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)很難通過(guò)仿真精確預(yù)估。3.3 實(shí)測(cè)案例驅(qū)動(dòng)延遲的微小差異如何放大過(guò)壓拿我在實(shí)驗(yàn)中得到的一組數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明。兩只相同的900V CoolMOS串聯(lián)母線電壓1.6kV柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲差異故意調(diào)到100ns先關(guān)斷的管子A管Vds峰值達(dá)到1150V遠(yuǎn)超降額后的810V安全線。后關(guān)斷的管子B管Vds峰值只有450V。這里100ns的差異就產(chǎn)生了700V的不均壓。原因在于A管已經(jīng)退出導(dǎo)通進(jìn)入阻斷狀態(tài)時(shí)B管還在導(dǎo)通母線電壓幾乎全部壓在A管身上。這就是串聯(lián)MOS管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的時(shí)序正義。但現(xiàn)實(shí)中驅(qū)動(dòng)變壓器繞組不對(duì)稱、光耦傳播延遲差異、柵極電阻差異都會(huì)導(dǎo)致幾十甚至幾百納秒的延遲差異。所以純靠盡量同步很難根治需要用電路來(lái)吸收。3.4 三招動(dòng)態(tài)均壓柵極補(bǔ)償、輸出電容補(bǔ)償、RC緩沖工程中常用的動(dòng)態(tài)均壓方法有以下幾種我在實(shí)踐中都驗(yàn)證過(guò)柵極電容補(bǔ)償法每只管子的柵極和源極之間并聯(lián)一大一小兩組電容比如10nF/1nF讓柵極電荷主要從外并電容走從而遮蔽(C_{gd})差異帶來(lái)的米勒效應(yīng)。相當(dāng)于給每只串聯(lián)的管子裝上了一個(gè)慣性飛輪誰(shuí)也別想關(guān)得太快或太慢。輸出電容補(bǔ)償法在D-S間并聯(lián)一個(gè)無(wú)感電容讓總輸出電容外并電容(C_{oss})的差異被外部大電容均攤掉。這個(gè)方法見(jiàn)效快但犧牲開(kāi)關(guān)速度會(huì)增加關(guān)斷損耗。RC緩沖電路SnubberD-S間串一個(gè)電阻加電容Rsnubber Csnubber既做動(dòng)態(tài)均壓又抑制關(guān)斷振鈴。典型參數(shù)Rsnubber幾十歐姆左右Csnubber幾百皮法到幾納法。三種方案不沖突可以組合使用。在1.6kV母線上我用的是柵極并聯(lián)10nF電容加D-S并聯(lián)1nF輸出電容的組合實(shí)測(cè)關(guān)斷峰值從1150V壓回了860V以內(nèi)雖然損耗增加了但在可接受范圍。3.5 關(guān)于振鈴從RLC諧振的角度看開(kāi)關(guān)瞬態(tài)串聯(lián)電路里還有一個(gè)高頻振蕩現(xiàn)象值得單獨(dú)說(shuō)。關(guān)斷時(shí)母線寄生電感和MOS管輸出電容組成一個(gè)RLC串聯(lián)諧振回路。諧振頻率可以估算[ f_{ring} \frac{1}{2\pi \sqrt{L_{loop} \cdot C_{oss,eq}}} ]假設(shè)環(huán)路電感(L_{loop}) 100nH這是普通功率PCB布局的典型值等效輸出電容(C_{oss,eq}) 500pF則(f_{ring}) ≈ 22.5MHz。這種高頻振鈴如果幅值過(guò)大疊加在直流母線上就會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓尖峰同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。抑制振鈴的有效手段就是RC緩沖。RC的引入等效于在諧振回路中增加阻尼讓能量以熱能形式消耗掉。RC參數(shù)的選取不是拍腦袋通常用示波器先測(cè)出振鈴頻率再反推環(huán)路電感[ L_{loop} \frac{1}{(2\pi f_{ring})^2 \cdot C_{oss,eq}} ]然后選擇[ R_{snubber} \sqrt{\frac{L_{loop}}{C_{oss,eq}}} ]這個(gè)(R_{snubber})是臨界阻尼電阻值實(shí)測(cè)中還要在這個(gè)值附近用示波器微調(diào)以振鈴幅值最小為準(zhǔn)。這個(gè)實(shí)測(cè)-反推-再調(diào)的過(guò)程是開(kāi)關(guān)電源調(diào)試中最常見(jiàn)的閉環(huán)流程。4. 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)高壓浮動(dòng)側(cè)的柵極控制不只是加個(gè)光耦4.1 串聯(lián)高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)困難串聯(lián)的MOS管里低壓側(cè)管子的源極可以接到系統(tǒng)地柵極驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易高壓側(cè)管子的源極是浮動(dòng)點(diǎn)位處于高壓半橋中間的電位柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須懸浮在這個(gè)高壓電位上。這意味著柵極驅(qū)動(dòng)供電也必須隔離。最常用的方法有三種自舉電路內(nèi)部自舉適用于半橋拓?fù)涓綦x驅(qū)動(dòng)變壓器脈沖變壓器隔離電源光耦/數(shù)字隔離器對(duì)純串聯(lián)開(kāi)關(guān)不是半橋逆變來(lái)說(shuō)自舉電路并不合適因?yàn)樽耘e需要負(fù)載周期性地把中點(diǎn)電壓拉到低電位來(lái)給自舉電容充電而在純串聯(lián)開(kāi)關(guān)中這個(gè)前提不存在。所以重點(diǎn)看后兩種。4.2 驅(qū)動(dòng)變壓器方案簡(jiǎn)單可靠但要處理磁復(fù)位驅(qū)動(dòng)變壓器是串聯(lián)MOS驅(qū)動(dòng)最常用的方案。一個(gè)磁環(huán)變壓器原邊一個(gè)繞組副邊兩個(gè)或多個(gè)繞組分別驅(qū)動(dòng)各串聯(lián)管子。繞制時(shí)副邊繞組數(shù)跟管子數(shù)一一對(duì)應(yīng)原副邊匝比一般是1:1。由于副邊繞組在同一個(gè)磁芯上天然能做到納秒級(jí)的信號(hào)一致性這對(duì)串聯(lián)均壓是極大的優(yōu)勢(shì)。但驅(qū)動(dòng)變壓器有兩個(gè)坑磁復(fù)位正脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)通關(guān)斷時(shí)需要給變壓器施加反向電壓復(fù)位磁通否則磁芯會(huì)飽和。解決方法是柵極驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管讓關(guān)斷時(shí)柵極電荷快速通過(guò)二極管放掉同時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片用半橋輸出推挽原邊在關(guān)斷期間輸出低電平。占空比限制傳統(tǒng)單極性驅(qū)動(dòng)變壓器在占空比接近50%或超過(guò)50%時(shí)磁復(fù)位時(shí)間不夠容易飽和。如果需要大占空比范圍要用全橋驅(qū)動(dòng)或帶復(fù)位繞組的方案。我在項(xiàng)目里用過(guò)一款高頻磁環(huán)匝數(shù)是原邊10T副邊兩個(gè)繞組各10T驅(qū)動(dòng)頻率100kHz占空比40%以內(nèi)波形很干凈。4.3 隔離電源光耦方案占空比靈活但延遲大如果占空比變化范圍很大或者需要做軟開(kāi)關(guān)LLC等需要接近50%占空比驅(qū)動(dòng)變壓器就不方便了。這時(shí)可以用隔離DC-DC電源光耦/數(shù)字隔離器的方案隔離DC-DC電源給高壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)芯片供電比如用B0515S這種小型隔離電源模塊。信號(hào)通過(guò)高速光耦如HCPL-4504或數(shù)字隔離器如Si8620傳到高壓側(cè)。高壓側(cè)用一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器如UCC27524放大信號(hào)。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有占空比限制缺點(diǎn)是光耦的傳播延遲大、延遲離散性也大不同批次可能相差幾百納秒。為了同步可以采用延遲匹配技術(shù)給其他通道人為增加等量的延遲線或者選用帶精確延遲匹配的專(zhuān)用隔離驅(qū)動(dòng)器芯片比如ISO5852S。這塊在實(shí)際調(diào)試的時(shí)候最費(fèi)時(shí)間。我一開(kāi)始用兩個(gè)獨(dú)立光耦驅(qū)動(dòng)兩只管子用示波器量柵極波形肉眼可見(jiàn)有大約200ns的時(shí)間差后來(lái)?yè)Q成同一顆雙通道數(shù)字隔離器延遲差異降到10ns以內(nèi)均壓情況立竿見(jiàn)影地改善。4.4 柵極電阻的取舍與柵極環(huán)路最小化柵極電阻(R_g)的選取直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)魯棒性。(R_g)小開(kāi)關(guān)速度快開(kāi)關(guān)損耗低但dV/dt高容易帶來(lái)過(guò)壓尖峰和EMI。(R_g)大開(kāi)關(guān)速度慢動(dòng)態(tài)均壓更容易實(shí)現(xiàn)但損耗增大。在串聯(lián)應(yīng)用中我建議犧牲一點(diǎn)開(kāi)關(guān)速度換取均壓可靠性。選型時(shí)可以從datasheet推薦的(R_g)開(kāi)始然后往上加用示波器觀察Vds波形直到關(guān)斷尖峰降到安全范圍以內(nèi)。除此之外柵極驅(qū)動(dòng)回路必須遵循最小環(huán)路原則從驅(qū)動(dòng)器輸出、經(jīng)過(guò)柵極電阻到MOS管柵極再?gòu)脑礃O回到驅(qū)動(dòng)器地這個(gè)環(huán)路面積要盡可能小。如果環(huán)路面積大環(huán)路電感會(huì)在開(kāi)關(guān)瞬間產(chǎn)生噪聲干擾柵極電壓波形甚至導(dǎo)致柵極振蕩。應(yīng)優(yōu)先采用開(kāi)爾文源極Kelvin Source封裝的管子把功率源極和驅(qū)動(dòng)源極分開(kāi)走線。這就是熱詞里反復(fù)出現(xiàn)的開(kāi)爾文接法實(shí)際用起來(lái)確實(shí)有效。4.5 驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率不能忽略。MOS管每次開(kāi)關(guān)需要轉(zhuǎn)移柵極電荷(Q_g)驅(qū)動(dòng)功率公式[ P_{drv} Q_g \cdot V_{gs} \cdot f_{sw} ]假設(shè)(Q_g) 80nC(V_{gs}) 15V(f_{sw}) 100kHz[ P_{drv} 80nC \times 15V \times 100kHz 0.12W ]單管驅(qū)動(dòng)功率看起來(lái)不大但多個(gè)管子串聯(lián)時(shí)總的驅(qū)動(dòng)功率要乘以N。同時(shí)還要考慮驅(qū)動(dòng)芯片的動(dòng)態(tài)電流峰值[ I_{peak} \frac{\Delta V_{gs}}{R_g} ]這個(gè)值通常是安培級(jí)所以驅(qū)動(dòng)芯片的峰值輸出電流要注意。5. 工程落地環(huán)路電感、浪涌吸收與示波器實(shí)測(cè)5.1 功率回路電感電壓尖峰的總根源回到公式層面關(guān)斷瞬間的電壓尖峰[ V_{ds,peak} V_{DC} L_{loop} \cdot \frac{di}{dt} ]如果母線2000V關(guān)斷電流變化率(di/dt) 1000A/μs環(huán)路電感哪怕只有50nH尖峰就多了50V。要是環(huán)路電感達(dá)到200nH這在普通搭棚實(shí)驗(yàn)中很常見(jiàn)尖峰就多了200V。減少環(huán)路電感的措施直流母排采用正負(fù)極疊層結(jié)構(gòu)讓正負(fù)回路的電流方向相反、磁場(chǎng)互相抵消。串聯(lián)的管子緊挨著放置D-S之間的連線盡量短、盡量寬。吸收電容高頻特性好的CBB電容或MLCC緊貼母線輸入端放置把高頻電流環(huán)路縮短。我在實(shí)際布局時(shí)把三只串聯(lián)管放成一條直線母線正負(fù)極的覆銅層疊在高頻吸收電容下方使整個(gè)功率回路面積控制在20mm×30mm以內(nèi)。實(shí)測(cè)同樣的驅(qū)動(dòng)條件下關(guān)斷尖峰比最初搭的飛線實(shí)驗(yàn)區(qū)小了將近200V。5.2 RC吸收參數(shù)的實(shí)測(cè)選型方法前面已經(jīng)給出了臨界阻尼電阻計(jì)算公式。實(shí)測(cè)選型步驟建議如下先不加RC緩沖用示波器量出關(guān)斷振鈴頻率(f_{ring})。假設(shè)或仿真得到等效(C_{oss,eq})反推(L_{loop})。計(jì)算臨界阻尼電阻(R_{snubber})。從幾pF開(kāi)始增大(C_{snubber})一直到振鈴幅度明顯下降為止。微調(diào)電阻直到振鈴平滑且損耗可接受。最終我會(huì)把參數(shù)定在Rsnubber 10Ω~47ΩCsnubber 470pF~2.2nF之間據(jù)經(jīng)驗(yàn)損耗通常占系統(tǒng)總損耗的1%~3%完全可接受。5.3 示波器測(cè)量串聯(lián)高壓電路時(shí)容易犯的錯(cuò)測(cè)量這類(lèi)電路比普通低壓電路要小心得多。探頭地線夾就是一根天線地線夾有電感高頻振鈴會(huì)在測(cè)量回路上感應(yīng)出虛假的電壓波形。正確做法是使用短的接地彈簧或者干脆用差分探頭。示波器必須隔離用普通示波器測(cè)量高壓側(cè)浮動(dòng)?xùn)艠O波形時(shí)示波器探頭地端接到電源地探頭尖碰到浮動(dòng)點(diǎn)會(huì)通過(guò)示波器機(jī)殼形成放電回路。輕則擊穿探頭重則損壞示波器。強(qiáng)烈建議用高壓差分探頭如泰克P5200A系列或者隔離通道示波器。帶寬不夠會(huì)漏掉振鈴細(xì)節(jié)前面估算過(guò)振鈴頻率在20MHz左右如果探頭帶寬只有100MHz幅值測(cè)量會(huì)被低通濾波效應(yīng)壓掉不少。至少用300MHz以上的探頭。5.4 串聯(lián)MOS管調(diào)試中兩個(gè)最常見(jiàn)的故障波形調(diào)試過(guò)程中大概率會(huì)遇到兩類(lèi)典型問(wèn)題現(xiàn)象一關(guān)斷時(shí)某只管Vds尖峰特別高原因排查順序先量柵極波形看兩個(gè)管子關(guān)斷時(shí)刻是否同步如果延遲差異大先解決驅(qū)動(dòng)同步問(wèn)題如果柵極波形同步再查輸出電容差異嘗試加D-S電容補(bǔ)償如果尖峰還壓不住就直接上RC緩沖用實(shí)測(cè)法選定參數(shù)?，F(xiàn)象二開(kāi)通瞬間有高頻振蕩這種振蕩通常是米勒電容和柵極環(huán)路電感相互作用的結(jié)果。把柵極電阻加大到10Ω以上或者在柵極串小磁珠一般能壓下來(lái)。如果振蕩頻率超高50MHz大概率是柵極環(huán)路電感太大必須優(yōu)化PCB布局而不是單純靠加電阻治標(biāo)。6. 關(guān)于串聯(lián)MOS管設(shè)計(jì)我再補(bǔ)充幾個(gè)實(shí)操細(xì)節(jié)做這個(gè)項(xiàng)目半年多有幾個(gè)小細(xì)節(jié)是資料上不會(huì)專(zhuān)門(mén)提、但實(shí)際影響很大的溫度梯度問(wèn)題。均壓電阻功耗大散熱差異會(huì)導(dǎo)致每個(gè)管子結(jié)溫不一樣而結(jié)溫差異又會(huì)反向影響漏電流和開(kāi)關(guān)速度形成一個(gè)惡性循環(huán)。所以功率電阻的位置要盡量對(duì)稱且與MOS管保持合理距離別把熱量直接灌進(jìn)管子。雪崩耐量的作用。即使做了充分均壓也要評(píng)估MOS管的單脈沖雪崩能量EAS。串聯(lián)電路中如果某一個(gè)管子因?yàn)檫^(guò)壓觸發(fā)雪崩它能吸收多少能量決定了系統(tǒng)能不能從這次異常中活下來(lái)。選型時(shí)如果成本允許盡量選EAS余量大一點(diǎn)的管子。備用觸發(fā)電路。在IGBT串聯(lián)應(yīng)用里有個(gè)經(jīng)典做法叫動(dòng)態(tài)雪崩觸發(fā)——檢測(cè)到某個(gè)器件過(guò)壓時(shí)人為讓全部器件同時(shí)開(kāi)通把能量轉(zhuǎn)移到吸收電路上。MOS管串聯(lián)也可以借鑒這個(gè)思路增加一個(gè)過(guò)壓檢測(cè)比較器來(lái)控制柵極實(shí)現(xiàn)保護(hù)性鉗位。這算是一步進(jìn)階手段做好了可靠性會(huì)上升一個(gè)臺(tái)階。高壓測(cè)試時(shí)的安全距離。2000V以上的板子空氣擊穿距離大約是1mm/kV實(shí)際操作中至少要留2~3倍的余量。PCB走線的爬電距離也要考慮污染等級(jí)必要時(shí)開(kāi)槽處理。這個(gè)環(huán)節(jié)省不得我在測(cè)試時(shí)曾因?yàn)殚g距不夠爬電拉弧燒了一塊板子教訓(xùn)很深。串聯(lián)高壓MOS管這條路原理說(shuō)復(fù)雜也復(fù)雜說(shuō)透了其實(shí)就是靜態(tài)靠電阻壓住動(dòng)態(tài)靠電容和驅(qū)動(dòng)時(shí)序穩(wěn)住損耗和可靠性之間做權(quán)衡。工程上沒(méi)有完美的方案只有最合適的取舍。上面這些內(nèi)容基本覆蓋了我從設(shè)計(jì)、仿真到實(shí)測(cè)的全部經(jīng)驗(yàn)路徑希望能為你少踩幾個(gè)坑提供參考。