反激變換器作為電源產(chǎn)品中幾乎不可缺少的一個(gè)拓?fù)?，從?a href="m.makelele.cn/article/special/" target="_blank">電力電子產(chǎn)品開發(fā)的工程師是相當(dāng)?shù)氖煜ぃ绕涫菃喂芊醇ぷ儞Q器，更是工程師從小白開始修煉的起點(diǎn)，萬丈高樓平地起嘛。在經(jīng)典的單管反激變換器上，又衍生出各種各樣的變化，開關(guān)方式從硬開關(guān)變化為準(zhǔn)諧振（QR），有源鉗位(ACF)，零電壓開通（ZVS）等，以及拓?fù)涞难葑?，從單管反激變?yōu)殡p管反激。簡單講，這些演變都是基于經(jīng)典硬開關(guān)的單管反激拓?fù)涞膬?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)降低開關(guān)損耗，優(yōu)化EMC，解決關(guān)斷過壓風(fēng)險(xiǎn)等。

今天要討論的主題就是雙管反激變換器。在1500V的光伏，儲(chǔ)能系統(tǒng)中，雙管反激變換器和1700V SiC MOSFET是經(jīng)典的黃金搭檔，今天我們就講述采用1700V SiC MOSFET IMBF170R450M1作為開關(guān)管所發(fā)生的故事，如圖1。

圖1.采用IMBF170R450M1的雙管反激變換器

雙管反激變換器的工作原理是兩個(gè)開關(guān)管共一個(gè)PWM信號(hào)，同開同關(guān)，沒有單管反激變換器帶來的副邊的反射電壓，單顆開關(guān)管上的最高電壓就是全母線電壓，但是，在雙管反激變換器的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2的關(guān)斷電壓Vds幾乎差了一倍，波形見圖2，Vds1和Vds2分別是兩個(gè)開關(guān)管的DS電壓。

圖2.兩個(gè)開關(guān)管的Vds電壓不均衡波形

經(jīng)典拓?fù)淇偸悄軌蛟谛庐a(chǎn)品開發(fā)階段帶給硬件工程師各種各樣的驚喜，但是在沒有解決問題之前，只有驚沒有喜……。能怎么辦呢？先抑后揚(yáng)，先苦后甜，先撫平激動(dòng)的心情，阿Q精神法，然后肝了。

雙管反激的拓?fù)湓頉]錯(cuò)，那只能是應(yīng)用中某個(gè)細(xì)節(jié)沒注意到。檢查原理圖，核對(duì)PCB，突然發(fā)現(xiàn)，兩顆TO263封裝的SiC MOSFET IMBF170R450M1的PCB布局上有點(diǎn)不一樣，見圖3。PCB板上，Q1的漏極D在top層打孔后，在緊密相鄰的信號(hào)層鋪銅后幾乎穿過整個(gè)TO263封裝底部，然后與其源極S的鋪銅有一部分交疊區(qū)域，見圖3中的藍(lán)色方框，而Q2則不存在源極D和漏極S的鋪銅交疊。

圖3.兩個(gè)開關(guān)管PCB不同布局

找到了PCB上的差異之后，則開始思考這種D-S交疊與兩個(gè)開關(guān)管的關(guān)斷電壓不均衡之間的因果關(guān)系，D-S這兩個(gè)鋪銅之間是高頻的dv/dt，首先想到的就是寄生電容的影響，也許就是這個(gè)多出來的寄生電容導(dǎo)致了關(guān)斷電壓不均衡。猜歸猜，搭建Simetrix仿真模型驗(yàn)證一把推測(cè)是否靠譜，見圖4，圖5。

Simetrix仿真電路中，將上管D-S并聯(lián)了一個(gè)2nF的電容，而在下管D-S僅并聯(lián)了一個(gè)2pF的電容，去模擬開關(guān)管因?yàn)镻CB布局帶來的寄生結(jié)電容，雖然容值差異有點(diǎn)夸張，但并不影響結(jié)論哈。從圖5的波形，發(fā)現(xiàn)了和圖2類似的情況，在DC母線電壓160V的情況下，下管的關(guān)斷電壓峰值是160V，但是上管的關(guān)斷電壓峰值還不到90V，完美復(fù)現(xiàn)。

圖4. 雙管反激變換器Simetrix仿真模型

圖5. 雙管反激變換器Simetrix仿真波形

既然確定是PCB布局產(chǎn)生的寄生結(jié)電容導(dǎo)致了這個(gè)關(guān)斷電壓不均衡，那就基于Simetrix仿真波形詳細(xì)分析深層次的原因，分析過程見圖6。雙管反激變換器中，理論上兩個(gè)開關(guān)管應(yīng)該同開同關(guān)，但是，當(dāng)PWM控制器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后，因?yàn)橄鹿艿募纳Y(jié)電容非常小，關(guān)斷會(huì)非常迅速，在下管完全關(guān)斷后，上管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以全部的母線電壓都加到了先關(guān)斷的下管，而上管后關(guān)斷，所以其關(guān)斷電壓遠(yuǎn)低于全母線電壓。

圖6. PCB寄生結(jié)電容影響電壓不均衡的原理分析

接下來繼續(xù)挖寄生結(jié)電容產(chǎn)生的原因，回到到電容的本質(zhì)，任意兩個(gè)相鄰的極板之間都會(huì)產(chǎn)生電容，而且距離越近，面積越大，產(chǎn)生的電容值越大，計(jì)算公式見（1）。

圖7.相鄰兩塊極板的電容效應(yīng)

寄生電容計(jì)算清楚后，再繼續(xù)深挖PCB板產(chǎn)生寄生電容的原因，以圖8的6層板為例，GTL，L2， L3，L4，L5，GBL就是可以用來走線、鋪銅的信號(hào)層，PP則是介電層，用于相鄰兩個(gè)信號(hào)層之間的電氣絕緣，厚度通常約100微米，中間兩個(gè)藍(lán)色的，則是大家熟知的環(huán)氧材質(zhì)FR4芯板。

圖8. 典型6層PCB板的壓合結(jié)構(gòu)

回到圖3兩個(gè)開關(guān)管的D-S不同鋪銅方式，開關(guān)管Q1的D-S分別在GTL和L2層，鋪銅之間僅隔了一層厚度約100微米的PP介電層，D-S重疊的面積還不小，所以，這個(gè)寄生的D-S結(jié)電容不大才怪。

再給另外一個(gè)開關(guān)管并聯(lián)上一個(gè)100pF電容后，上電測(cè)量，OK，兩個(gè)開關(guān)管電壓等高了，不再一高一低。終于撥云見日，心情大好！

最后，修改PCB板，開關(guān)管的D-S鋪銅避開，不發(fā)生交疊，問題完美閉環(huán)。