在LLC拓?fù)渲校x擇體二極管恢復(fù)快的MOSFET的原因是什么

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(shì)，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(kāi)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(kāi)發(fā)方向轉(zhuǎn)向軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，以提高電源的能效，?shí)現(xiàn)更高的工作頻率。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器就是一種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，允許主功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)，顯著降低開(kāi)關(guān)損耗，大幅提高電源能效。在這種拓?fù)渲校瑸榱藢?shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)，功率開(kāi)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(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生硬開(kāi)關(guān)操作，并可能導(dǎo)致寄生雙極晶體管導(dǎo)通。

1.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(chǎng)上，對(duì)功率密度的需求每年都在增長(zhǎng)。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(wú)源器件的尺寸。目前，硬開(kāi)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(kāi)關(guān)管電壓為零（或者關(guān)斷期間開(kāi)關(guān)管電流為零），從而消除每次開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)同樣可以降低開(kāi)關(guān)損耗，從而有助于縮減無(wú)源器件的尺寸。顯而易見(jiàn)，開(kāi)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(guò)程中，MOSFET從零電壓開(kāi)關(guān)切換零電流開(kāi)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。

2.拓?fù)浜?jiǎn)介

LLC拓?fù)涞幕景霕螂娐肥怯蓛蓚€(gè)開(kāi)關(guān)管組成，高邊開(kāi)關(guān)管（Q1）和低邊開(kāi)關(guān)管（Q2）通過(guò)電感Lr和電容Cr與變壓器相連（見(jiàn)圖1）。開(kāi)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?cè)谌止δ苤械淖饔茫覀冊(cè)趫D中把它們單獨(dú)標(biāo)注出來(lái)。

在圖1中，我們注意到多出一個(gè)Lm電感，實(shí)際上，Lm是變壓器漏電感，其規(guī)則在LLC拓?fù)渲蟹浅Ｖ匾?/p>

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(kāi)關(guān)頻率（fs）等于電路諧振頻率，以保證諧振的重要優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在我們將看到，如何通過(guò)改變負(fù)載，使諧振頻率從最小值（fr2）變?yōu)樽畲笾担╢r1）：

當(dāng) 時(shí)，LLC就像一個(gè)串聯(lián)的RC諧振腔; 這種功能出現(xiàn)在高負(fù)載條件下，即當(dāng)Lm與低阻抗并聯(lián)時(shí)；當(dāng) 時(shí)，LLC類(lèi)似于并聯(lián)RC諧振腔，這功能出現(xiàn)在低負(fù)載條件下。系統(tǒng)通常不在這個(gè)區(qū)域工作，因?yàn)榭梢栽赯CS條件下運(yùn)行。如果頻率fi在fr2 《 fi 《 fr1范圍內(nèi)，則兩個(gè)功能同時(shí)存在。

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(kāi)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(kāi)關(guān)，則發(fā)生ZVS開(kāi)關(guān)，開(kāi)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(kāi)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(guò)程中，選擇Cr值大于C1和C2，可以解決這個(gè)問(wèn)題，使fr值不受所用器件的影響。

3. 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?，并且Ip領(lǐng)先Vd。在電容區(qū)工作時(shí)，體二極管在MOSFET開(kāi)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(guò)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(wú)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(kāi)關(guān)頻率應(yīng)該變成新的諧振頻率。如果沒(méi)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(guò)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(guò)寄生體二極管。

在增益圖上分析一下負(fù)載從低變高的過(guò)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(guò)程中，可以看到系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(shì)是使用體二極管恢復(fù)時(shí)間非常短的功率器件。