在汽車電氣系統中，高壓至低壓 DC/DC 轉換器是一種可逆電子設備，可將汽車高壓（400 V 或 800 V）電池的直流電轉換為較低的直流電壓（12 V）。這些轉換器可以是單向的，也可以是雙向的。功率水平通常為 1 kW 至 3 kW，系統要求轉換器高壓電網（初級側）的額定電壓為 650 V 至 1,200 V，12 V 電網（次級側）的額定電壓至少為 60 V。
為了幫助縮小磁性元件的尺寸，對更大功率密度和更小動力系統的需求導致功率元件的開關頻率增加到幾百千赫茲。高壓到低壓 DC/DC 轉換器的小型化暴露了許多在較低開關頻率下不那么重要的問題，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 (MOSFET) 的有源鉗位。在本電源技巧中，我將討論高開關頻率下同步整流器 MOSFET 的鉗位電路設計。
圖 1所示的相移全橋 (PSFB)是高壓至低壓 DC/DC 應用中的一種流行拓撲，因為它可以實現開關的軟切換以提高轉換器效率。但您仍然可以預期在同步整流器上看到高壓應力，因為它的寄生電容與變壓器漏電感產生共振。整流器的電壓應力可能高達公式 1：
其中，Np 和 Ns 分別是變壓器的初級和次級繞組。
考慮到高壓至低壓 DC/DC 轉換器的功率水平以及電阻-電容-二極管緩沖器的功率損耗 [1]，設計人員經常對同步整流器 MOSFET 使用有源鉗位電路。圖 1 顯示了典型電路。
圖 1 PSFB 同步整流器 MOSFET 的傳統有源鉗位電路。來源：德州儀器
在該原理圖中，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分。緩沖電容器的一端連接到輸出扼流圈，PMOS 的源極連接到地。在傳統的 PSFB 有源鉗位電路中，同步整流器 MOSFET Q5 和 Q7 具有相同的方案；Q6 和 Q8 也是如此。每次同步整流器 MOSFET 關閉后，PMOS 都會以適當的延遲時間打開。
圖2顯示了PSFB和有源鉗位的控制方案。你可以很容易地發現PMOS的開關頻率將是fsw的兩倍。
圖 2有源鉗位 PMOS Q9 的控制方案，其中 PMOS 的開關頻率是 fsw 的兩倍。來源：德州儀器
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，所有其他損耗都與 f sw成比例。當 PMOS 的開關頻率加倍時，損耗也會加倍，因此您需要解決 PMOS 的熱問題。而且，當為了滿足小型化需求而將 f sw推高時，確切的熱問題會變得更加嚴重。
那么，您能做什么？選擇具有更好性能系數 (FOM) 的 PMOS 還是選擇具有更高導熱系數的導熱硅脂？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，這使得問題很難解決。我們能把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支路的開關節點，如圖3所示。然后，您只能在 Q5 和 Q7 關閉后打開 Q11，并且只能在 Q6 和 Q8 關閉后打開 Q10。圖 4顯示了 PSFB 和建議的有源鉗位的控制方案。
圖 3 PSFB 同步整流器 MOSFET 的有源箝位電路。來源：德州儀器
圖 4 PSFB 的控制方案和建議的有源鉗位。來源：德州儀器
當 Q5 和 Q7 關斷時，Q6 和 Q8 仍處于導通狀態。因此，您可以找到 Q5 和 Q7 的鉗位環路，如圖 3 中的綠色箭頭所示。Q10 和 Q11 的開關頻率均為 f sw ，而不是 f sw 的兩倍。
因此，根據公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6，每個 PMOS 的 P on_state將是原來的四分之一，P turn_on、P turn_off、P drive和 Pdiode將是原來的一半。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，這使得處理熱問題變得更加容易。
讓我們回到鉗位環路。Q5 的環路比 Q7 大；它與 Q6 和 Q8 類似。您需要注意同步整流器的布局，以便為 Q5 和 Q6 獲得最小鉗位環路。
圖 5和圖 6顯示了德州儀器的GaN HEMT 高壓至低壓 DC/DC 轉換器參考設計的相關測試，該設計使用建議的有源鉗位電路，工作在 200 kHz 開關頻率下。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 是初級變壓器繞組的電壓，CH4 是初級變壓器繞組的電流。來源：德州儀器
CH1 為整流器的V gs ，CH2 為整流器的V ds ，CH3 為初級變壓器繞組的電壓，CH4 為初級變壓器繞組的電流。在 400 V IN、13.5 V OUT、250-AI OUT時，整流器的最大電壓應力低于 45 V。有源鉗位電路的最大溫度在400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT [2] 時為 46.6°C，如圖 6 所示。因此，所提出的控制方案為鉗位 MOSFET 實現了相當好的熱性能。
圖 6：有源鉗位電路的熱性能，其中有源鉗位電路的最高溫度在 400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT時為 46.6°C 。來源：德州儀器
當開關頻率從 200 kHz 提升至 500 kHz 時，變壓器體積將縮小約 45% [2]，這將有助于提高高壓至低壓 DC/DC 轉換器的功率密度。采用所提出的方法，BOM 成本將略有增加，但設計人員可以在 500 kHz 開關頻率下運行有源鉗位而不會出現熱問題，從而提高性能。考慮到 PMOS 的脈沖漏極電流遠小于 NMOS，設計人員還可以在有源鉗位中使用 NMOS，并配備隔離驅動器和偏置電源（如有必要）。
作者：Daniel Gao 是德州儀器電源設計服務團隊的系統工程師，主要負責開發 OBC 和 DC/DC 轉換器。他于 2010 年獲得中南大學碩士學位。
