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在LLC拓撲中,為什么選用體二極管恢復(fù)快的MOSFET?

發(fā)布時間:2019-11-22 責任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】LLC諧振轉(zhuǎn)換器就是一種軟開關(guān)拓撲,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。在這種拓撲中,為了實現(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)時間非常短。
 
01 摘要
 
在當前全球能源危機的形式下,提高電子設(shè)備的能效,取得高性能同時降低能耗,成為業(yè)內(nèi)新的關(guān)注點。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)格中提高能效標準。在電源管理方面,用傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器是很難達到新能效標準。因此,電源設(shè)計者已將開發(fā)方向轉(zhuǎn)向軟開關(guān)拓撲,以提高電源的能效,實現(xiàn)更高的工作頻率。
 
LLC諧振轉(zhuǎn)換器就是一種軟開關(guān)拓撲,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。在這種拓撲中,為了實現(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)時間非常短。如果體二極管不能恢復(fù)全部載流子,則在負載從低到高的變化過程中,可能會發(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、大型計算機/服務(wù)器、電焊機、鋼材切割機等消費應(yīng)用市場上,對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)用的典型拓撲,而LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓撲確保導(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 拓撲簡介
 
LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個開關(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標注出來。
 
在圖1中,我們注意到多出一個Lr電感,實際上,Lr是變壓器漏電感,其規(guī)則在LLC拓撲中非常重要。
 
圖1:LLC半橋電路
 
如果變壓器原邊電感Lm值很大,不會影響諧振網(wǎng)絡(luò),則上圖所示的轉(zhuǎn)換器就是一個串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。
 
圖2
 
在一個諧振單元中,當輸入信號頻率(fi)等于諧振頻率(fr)時 - 即當LC阻抗為零時,增益最大。諧振轉(zhuǎn)換器工作頻率范圍是由兩個特定的諧振頻率值界定,這些頻率值與電路有關(guān)。驅(qū)動控制器設(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?。S著負載減小),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,而對于整個系統(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在變正前是在負電流區(qū)擺動。負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改變。事實上,如果持續(xù)時間足以在輸出二極管上產(chǎn)生不連續(xù)的電流,則原邊電流形狀會偏離正弦波形。
 
圖5:fs <fr1時的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,則諧振頻率fr也會受到器件的影響。正是由于這個原因,在設(shè)計過程中,選擇Cr值大于C1和C2,可以解決這個問題,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發(fā)現(xiàn),在高于峰值增益頻率時,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,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,體二極管在MOSFET開關(guān)期間執(zhí)行反向恢復(fù)操作。
 
當系統(tǒng)在電容區(qū)工作時,MOSFET會面臨極大的潛在失效風險。事實上,如圖6中的綠色圓圈所示,寄生體二極管的反向恢復(fù)時間變得非常重要。
 
圖6
 
根據(jù)這一點,在負載由低變高的過程中(圖7),驅(qū)動電路應(yīng)強制MOSFET進入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。
 
圖7
 
在低負載穩(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)斷漏極電流不會出現(xiàn)。因此,當MOSFET關(guān)斷時,電流也會流過寄生體二極管。
 
在增益圖上分析一下負載從低變高的過程,我們不難發(fā)現(xiàn):
 
圖8
 
黑虛線代表負載變化期間的理想路徑,而綠虛線表示實際路徑。在負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。出于這個原因,新LLC設(shè)計的趨勢是使用體二極管恢復(fù)時間非常短的功率器件。
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