功率器件最恶劣电压电流应力分析-1

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。