功率器件最恶劣电压电流应力分析-1
0 2023-03-16

宽输入变换器设计时,需要考虑不同器件所要承受的最恶劣应力,以此选型器件;器件强度和它所受的应力进行匹配且留有余量(如应力/强度<0.8)。当然,选型功率器件除了前面所说的应力外,还有纹波啦等等。


这是保证变换器可靠性的必要条件,商业环境下为什么需要格外关注可靠性呢?精通开关电源作者给出了最有说服力的解释,成本!一个“十倍经验法则”:当电路板卡级别检测出一个失效需要花1块钱,那么系统级、产品整机测试发现一个失效就需要花费10块钱维修,如果到现场才发现失效,那么就需要花费100块钱维修;以此类推。实际上,成本增加远不止十倍!因此,关注可靠性是最省钱的途径。


功率变换器的主要应力,可分为电压应力和电流应力电压应力不仅重要而且最容易计算。功率半导体的电压即使只是在瞬间超过其标称的额定最大值,器件也是立即损坏;元件的最低、最差强度一般是得到供应商的保证的,所以要特别关注不能超过额定最大值。与之相对应,电流额定值通常不是当务之急,因为其本质——但不总是——一般是热能,变换相对缓慢。


这个例外是电感的电流应力,当通过电感的电流超过它的饱和电流Isat时,电感感值会迅速下降。详细可见图1、磁性材料的滞回曲线,可以看到,当电流过大后,磁性材料自身的磁场达到饱和,所以它的磁通量变化量为零,所以电感感值也就没有了。以boost拓扑为例,开关管Ton时,电感感值为零也就是没有了限流能力,此时输入电源是被开关管短路掉的!mos管自身会承受巨大的电流应力。一个数例,假如Rds_on为0.1Ω,boost输入电压为10V,短路mos管后,它的峰值电流达到了100A!非常危险!

图1

另外,对于电感饱和电流Isat,宽输入变换器时,不同拓扑对应的最恶劣条件是不一样的。Boost(见图2)是Vin_min为最恶劣条件,因为Pin=Pout,Pout不变,所以输入电压越小输入电流越大;或者可以这么理解,boost的占空比D=Vo-Vi/Vo,Vo是固定的,也就是说,Vi变小时,D是变大的,所以开关管导通的时间变长了,即电感充电时间变长,所以电感上的电流峰值就大了。

Buck-boost也是Vin时候为选型电感的最恶劣条件,它的占空比D=Vo/(Vo+Vi),仍然可以看出,Vo固定,Vi减小时D是增大的,即开关管导通时间变长,电感充电时间变长了。

Buck是Vin_max为最恶劣条件,Ton时,电感两端电压为Vin-Vout,所以Vin越大,加在电感两端的电压也就越大,电感电流上升的就越高(△I=V*dt/L)。这是需要特别关注的电流应力的例子。

图2

我们看下其他器件需要关注的电压应力和电流应力。电压应力:所有元件总是需要特别关心的是峰值电压,过高的电压能导致半导体结(瞬时)雪崩击穿和快速恢复。电流应力:Ipk峰值电流(对应上面电感的Isat)、平均电流Iavg(二极管)、有效值电流Irms(mos管等)。


先从比较直观的电压应力开始。详细参见图3、4、5.

图3

图4

图5


以上都是比较直观的电压应力。


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