半橋LLC電路中模塊損耗的影響

半橋電路上下橋臂的死區(qū)時(shí)間定為190nS，這個(gè)時(shí)間和LLC電路功率管的ZVS工作狀態(tài)，功率管驅(qū)動(dòng)的可靠性密切相關(guān)，同時(shí)也影響諧振電流大小和模塊整機(jī)效率 。對(duì)于LLC電路，我們將額定工作點(diǎn)設(shè)置在諧振點(diǎn)附近，通過實(shí)現(xiàn)功率管的ZVS開通和輸出二極管的零反向恢復(fù)來實(shí)現(xiàn)模塊的高效率。為了滿足ZVS條件，死區(qū)時(shí)間必須滿足：

其中：

輸入母線電壓，

：功率管漏源極間電容，

為勵(lì)磁電流。

而輸出電壓和變壓器匝比確定時(shí)，勵(lì)磁電流的大小由諧振頻率和勵(lì)磁電感決定：

Tr為諧振周期，因此我們可以得出LLC對(duì)稱半橋上下管死區(qū)時(shí)間和勵(lì)磁電感，諧振頻率的關(guān)系：

LLC的參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，如果增大勵(lì)磁電感Lm，可以減少功率管的關(guān)斷電流，從而減少其關(guān)斷損耗，如果不考慮橋臂的死區(qū)時(shí)間，我們認(rèn)為模塊流過諧振電感和變壓器原邊的諧振都是減少的。但是如果考慮死區(qū)時(shí)間對(duì)功率管和輸出二極管有效導(dǎo)通時(shí)間的影響，當(dāng)死區(qū)時(shí)間td增大時(shí)，有效的占空比會(huì)減少，在輸出負(fù)載相同的情況下，流過輸出二極管的電流和諧振電感和變壓器傳能部分的電流

將增大，所以勵(lì)磁電流和傳能電流

是矛盾的，其有效值近似為：

圖9 死區(qū)影響和勵(lì)磁電流，諧振電流示意圖

當(dāng)LLC電路的諧振參數(shù)確定時(shí)，勵(lì)磁電流就確定了，在滿足公式1的情況下，考慮上下管的驅(qū)動(dòng)特性偏差和驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)偏差，保證功率管可靠性的前提下，我們應(yīng)該盡可能減少死區(qū)時(shí)間。對(duì)于具體參數(shù)的模塊：

其中

取20N60C3漏源電壓VDS為50～200VDC時(shí)的近似值（150nF）和旁邊并聯(lián)電容220nF的和。從計(jì)算的結(jié)果看現(xiàn)在的死區(qū)時(shí)間190nS裕量很大，可以適當(dāng)?shù)臏p少，當(dāng)190nS的死區(qū)時(shí)間時(shí)，54V/1000W，通過計(jì)算可得到諧振電流為：

而當(dāng)死區(qū)時(shí)間改為120nS時(shí)， 諧振電流為6.528A

以80℃結(jié)溫計(jì)算，兩個(gè)功率管的損耗相差：

變壓器的原副邊電流，以及流過輸出二極管的電流沒找到合適的公式計(jì)算，但是通過仿真可以得到兩個(gè)死區(qū)時(shí)間190nS和120nS時(shí)，變壓器原邊電流分別為5.6728A和5.6486A，變壓器副邊電流分別為：20.8A和20.7A，損耗相差很少，另外死區(qū)時(shí)間減少對(duì)功率管反向恢復(fù)電流也會(huì)有改善。

所以從計(jì)算結(jié)果看，死區(qū)時(shí)間由190nS減少到120nS對(duì)效率的改善比較小，約減少1W損耗，實(shí)際效果由測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)死區(qū)時(shí)間為190nS，測(cè)試模塊的輸出電壓48～58V，負(fù)載在大于150W時(shí)，模塊都工作ZVS狀態(tài)，42V時(shí)要大于200W以上才可能實(shí)現(xiàn)ZVS如下圖所示（在調(diào)頻狀態(tài)，上下管的ZVS狀態(tài)近似）

圖10 54V/100W上管導(dǎo)通

圖11 54V/150W上管導(dǎo)通

如果死區(qū)改成120nS，測(cè)試到的上管開通波形如下圖所示，功率要大于200W才能完全實(shí)現(xiàn)ZVS開通

圖12 54V/100W上管導(dǎo)通

圖13 54V/200W上管導(dǎo)通

從測(cè)試的結(jié)果看，死區(qū)時(shí)間從190nS減少到120nS，模塊實(shí)現(xiàn)ZVS會(huì)有影響，輕載200W以下功率管的關(guān)斷電壓會(huì)高，功率管漏源極的電壓拖尾，無法完全關(guān)斷，在驅(qū)動(dòng)上可以測(cè)試到一個(gè)電壓平臺(tái)。

我們對(duì)死區(qū)改動(dòng)前后模塊效率進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試到的結(jié)果如下表。

表2 死區(qū)190nS效率測(cè)試結(jié)果

表3 死區(qū)120nS效率測(cè)試結(jié)果

圖14 死區(qū)優(yōu)化效率對(duì)比

從測(cè)試的結(jié)果看，死區(qū)減少到120nS，模塊的效率約提高了0.1％～0.15％，這和計(jì)算的結(jié)果是吻合的。