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在LLC拓?fù)渲?，為什么選用體二極管恢復(fù)快的MOSFET？

發(fā)布時(shí)間：2019-11-22 責(zé)任編輯：xueqi

【導(dǎo)讀】LLC諧振轉(zhuǎn)換器就是一種軟開關(guān)拓?fù)?，允許主功率開關(guān)管零電壓開關(guān)，顯著降低開關(guān)損耗，大幅提高電源能效。在這種拓?fù)渲?，為了?shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)，功率開關(guān)管的寄生體二極管必須反向恢復(fù)時(shí)間非常短。
 
01 摘要
 
在當(dāng)前全球能源危機(jī)的形式下，提高電子設(shè)備的能效，取得高性能同時(shí)降低能耗，成為業(yè)內(nèi)新的關(guān)注點(diǎn)。為順應(yīng)這一趨勢，世界上許多電子廠商希望在產(chǎn)品規(guī)格中提高能效標(biāo)準(zhǔn)。在電源管理方面，用傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器是很難達(dá)到新能效標(biāo)準(zhǔn)。因此，電源設(shè)計(jì)者已將開發(fā)方向轉(zhuǎn)向軟開關(guān)拓?fù)洌蕴岣唠娫吹哪苄?，?shí)現(xiàn)更高的工作頻率。
 
LLC諧振轉(zhuǎn)換器就是一種軟開關(guān)拓?fù)?，允許主功率開關(guān)管零電壓開關(guān)，顯著降低開關(guān)損耗，大幅提高電源能效。在這種拓?fù)渲?，為了?shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)，功率開關(guān)管的寄生體二極管必須反向恢復(fù)時(shí)間非常短。如果體二極管不能恢復(fù)全部載流子，則在負(fù)載從低到高的變化過程中，可能會(huì)發(fā)生硬開關(guān)操作，并可能導(dǎo)致寄生雙極晶體管導(dǎo)通。
 
02 前言
 
在電信設(shè)備電源、大型計(jì)算機(jī)/服務(wù)器、電焊機(jī)、鋼材切割機(jī)等消費(fèi)應(yīng)用市場上，對(duì)功率密度的需求每年都在增長。要想提高功率密度，就必須減少元件數(shù)量，降低功率損耗，縮減散熱器和無源器件的尺寸。目前，硬開關(guān)半橋是這些應(yīng)用的典型拓?fù)?，而LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓?fù)浯_保導(dǎo)通前開關(guān)管電壓為零（或者關(guān)斷期間開關(guān)管電流為零），從而消除每次開關(guān)時(shí)因電流和電壓交疊而導(dǎo)致的功率損耗。
 
在高頻應(yīng)用中采用這種開關(guān)技術(shù)同樣可以降低開關(guān)損耗，從而有助于縮減無源器件的尺寸。顯而易見，開關(guān)功率損耗降低為在應(yīng)用設(shè)計(jì)中選用尺寸更小的散熱器提供了可能。零電壓條件發(fā)生是MOSFET寄生體二極管導(dǎo)通所致。在負(fù)載快速變化過程中，MOSFET從零電壓開關(guān)切換零電流開關(guān)，在這種情況下，高dv/dt值可使寄生雙極晶體管導(dǎo)通并燒毀MOSFET。
 
03 拓?fù)浜喗?/div>
 
LLC拓?fù)涞幕景霕螂娐肥怯蓛蓚€(gè)開關(guān)管組成，高邊開關(guān)管(Q1)和低邊開關(guān)管(Q2)通過電感Lr和電容Cr與變壓器相連（見圖1）。開關(guān)管與寄生體二極管（D1和D2）和寄生輸出電容（C1和C2）并聯(lián)，為了闡明它們在全局功能中的作用，我們在圖中把它們單獨(dú)標(biāo)注出來。
 
在圖1中，我們注意到多出一個(gè)Lr電感，實(shí)際上，Lr是變壓器漏電感，其規(guī)則在LLC拓?fù)渲蟹浅Ｖ匾?/div>
 
圖1：LLC半橋電路
 
如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會(huì)影響諧振網(wǎng)絡(luò)，則上圖所示的轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。
 
圖2
 
在一個(gè)諧振單元中，當(dāng)輸入信號(hào)頻率(fi)等于諧振頻率(fr)時(shí) - 即當(dāng)LC阻抗為零時(shí)，增益最大。諧振轉(zhuǎn)換器工作頻率范圍是由兩個(gè)特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關(guān)。驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)定MOSFET的開關(guān)頻率(fs)等于電路諧振頻率，以保證諧振的重要優(yōu)勢。
 
現(xiàn)在我們將看到，如何通過改變負(fù)載，使諧振頻率從最小值(fr2)變?yōu)樽畲笾?fr1)：
 

 
如果使用圖形表示諧振單元的增益，我們就得到圖3所示的曲線，不難看出，圖形變化與Q值相關(guān)。
 
圖3
 
LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作范圍受限于峰值增益。值得注意的是，峰值電壓增益既不發(fā)生在fr1處 ，也不出現(xiàn)在 fr2處。峰值增益對(duì)應(yīng)的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減小（隨著負(fù)載減?。?，峰值增益頻率移向fr2，并且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加（負(fù)載增加），峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿載應(yīng)該是諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的最差工作條件。
 
從MOSFET角度看，如前所述，MOSFET的軟開關(guān)是包括LLC在內(nèi)的諧振轉(zhuǎn)換器的重要優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，由于輸出電流是正弦波，因此， EMI干擾降低。圖4所示是LLC轉(zhuǎn)換器的典型波形特性。
 
圖4：LLC轉(zhuǎn)換器的典型波形
 
在圖4中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負(fù)電流區(qū)擺動(dòng)。負(fù)電流值表示體二極管導(dǎo)通。在此階段，由于二極管上的壓降，MOSFET漏源兩極的電壓非常小。如果MOSFET在體二極管導(dǎo)通期間開關(guān)，則發(fā)生ZVS開關(guān)，開關(guān)損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高系統(tǒng)能效。
 
如果MOSFET開關(guān)頻率fs小于fr1，功率器件上的電流的形狀會(huì)改變。事實(shí)上，如果持續(xù)時(shí)間足以在輸出二極管上產(chǎn)生不連續(xù)的電流，則原邊電流形狀會(huì)偏離正弦波形。
 
圖5：fs <fr1時(shí)的LLC轉(zhuǎn)換器的典型波形
 
此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當(dāng)，則諧振頻率fr也會(huì)受到器件的影響。正是由于這個(gè)原因，在設(shè)計(jì)過程中，選擇Cr值大于C1和C2，可以解決這個(gè)問題，使fr值不受所用器件的影響。
 
04 續(xù)流和ZVS條件
 
分析一下諧振頻率的方程式就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在高于峰值增益頻率時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗是感抗，諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電流（Ip）滯后于諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓（Vd）。在低于峰值增益頻率時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗變?yōu)槿菘梗⑶襂p領(lǐng)先Vd。在電容區(qū)工作時(shí)，體二極管在MOSFET開關(guān)期間執(zhí)行反向恢復(fù)操作。
 
當(dāng)系統(tǒng)在電容區(qū)工作時(shí)，MOSFET會(huì)面臨極大的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，如圖6中的綠色圓圈所示，寄生體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間變得非常重要。
 
圖6
 
根據(jù)這一點(diǎn)，在負(fù)載由低變高的過程中（圖7），驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)強(qiáng)制MOSFET進(jìn)入ZVS和正關(guān)斷電流區(qū)。如果無法保證，MOSFET的工作區(qū)可能很危險(xiǎn)。
 
圖7
 
在低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件下，系統(tǒng)工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然后ZVS導(dǎo)通，并保證正關(guān)斷漏極電流。在負(fù)載變化（從低到高）后，開關(guān)頻率應(yīng)該變成新的諧振頻率。如果沒有發(fā)生這種情況（如圖8中綠線所示），則系統(tǒng)狀態(tài)經(jīng)過區(qū)域3（ZCS區(qū)域）和ZVS導(dǎo)通，正關(guān)斷漏極電流不會(huì)出現(xiàn)。因此，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電流也會(huì)流過寄生體二極管。
 
在增益圖上分析一下負(fù)載從低變高的過程，我們不難發(fā)現(xiàn)：
 
圖8
 
黑虛線代表負(fù)載變化期間的理想路徑，而綠虛線表示實(shí)際路徑。在負(fù)載從低變高的過程中，可以看到系統(tǒng)經(jīng)過ZCS區(qū)域，因此，寄生體二極管的性能變得非常重要。出于這個(gè)原因，新LLC設(shè)計(jì)的趨勢是使用體二極管恢復(fù)時(shí)間非常短的功率器件。
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