MOS管钳位电压计算以及MOSFET钳位电路工作原理

MOS管钳位电压计算

MOS管钳位，在开关电源中，每当MOS管有导通变为截止时，都会产生一个尖峰电压，尖峰电压是由于高频变压器存在漏感；在开关管截止时，连同输入电压Ui和感应电压UoR一起叠加在MOS管上，如果MOS管没有足够大的耐压值，那么就会损坏MOS。

MOS管钳位，在我们计算钳位电压，需要了解以下几个参数：

直流输入最大电压：Uimax

一次绕组感应电压：UoR

钳位电压：Ub

钳位电压最大值：Ubmax

MOS漏极最大电压：Udmax

MOS击穿电压：U（br）ds

我们以简单的TOPswitch系列来说明:

TOPswitch系类单片机开关电源,MOS管的U（br）ds电压一般大于等于700V左右，我们现在取700V来计算。感应电压UoR为135V；因为瞬态电压抑制器TVS电压会随温度的升高而升高，所以我们都是以1.4倍来计算，也就是说Ubmax=1.4*Ub；而Ub呢，我们通常使用1.5倍的感应电压来计算，即：Ub=1.5*UoR;所以：MOS漏极最大电压为：Uimax+1.4*1.5*Ub=625V

反激式电源中MOSFET的钳位电路

MOS管钳位，输出功率100W以下的AC/DC电源通常都采用反激式拓扑结构。这种电源成本较低，使用一个控制器就能提供多路输出跟踪，因此受到设计师们的青睐，且已成为元件数少的AC/DC转换器的标准设计结构。不过，反激式电源的一个缺点是会对初级开关元件产生高应力。

反激式拓扑结构的工作原理，是在电源导通期间将能量储存在变压器中，在关断期间再将这些能量传递到输出。反激式变压器由一个磁芯上的两个或多个耦合绕组构成，激磁能量在被传递到次级之前，一直储存在磁芯的串联气隙间。

实际上，绕组之间的耦合从不会达到完美匹配，并且不是所有的能量都通过该气隙进行传递。少量的能源储存在绕组内和绕组之间，这部分能量被称为变压器漏感。开关断开后，漏感能量不会传递到次级，而是在变压器初级绕组和开关之间产生高压尖峰。此外，还会在断开的开关和初级绕组的等效电容与变压器的漏感之间，产生高频振铃(图1)。

如果该尖峰的峰值电压超过开关元件(通常为功率MOSFET)的击穿电压，就会导致破坏性故障。此外，漏极节点的高幅振铃还会产生大量EMI。对于输出功率在约2W以上的电源来说，可以使用钳位电路来安全耗散漏感能量，达到控制MOSFET电压尖峰的目的。

钳位的工作原理

钳位电路用于将MOSFET上的电压控制到特定值，一旦MOSFET电压达到阈值，所有额外的漏感能量都会转移到钳位电路，或者先储存起来慢慢耗散，或者重新送回主电路。钳位的一个缺点是它会耗散功率并降低效率，因此，有许多不同类型的钳位电路可供选择(图2)。有多种钳位使用齐纳二极管来降低功耗，但它们会在齐纳二极管快速导通时增加EMI的产生量。RCD钳位能够很好地平衡效率、EMI产生量和成本，因此为常用。

钳位

RCD钳位的工作原理为：MOSFET关断后，次级二极管立即保持反向偏置，励磁电流对漏极电容充电(图3a)。当初级绕组电压达到由变压器匝数所定义的反射输出电压(VOR)时，次级二极管关断，励磁能量传递到次级。漏感能量继续对变压器和漏极电容充电，直到初级绕组电压等于箝位电容电压(图3b)。

Vc=钳位电压

此时，阻断二极管导通，漏感能量被转移到钳位电容(图4a)。经由电容吸收的充电电流将漏极节点峰值电压钳位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全转移后，阻断二极管关断，钳位电容放电到钳位电阻，直到下一个周期开始(图4b)。通常会添加一个小电阻与阻断二极管串联，以衰减在充电周期结束时变压器电感和钳位电容之间产生的任何振荡。这一完整周期会在钳位电路中造成电压纹波(称为VDELTA)，纹波幅度通过调节并联电容和电阻的大小来控制。

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