在半橋諧振轉(zhuǎn)換器中提升次級(jí)端同步整流器功率效率的控制方法分析

溫室效應(yīng)和日漸枯竭的地球資源使得功率電路設(shè)計(jì)中的節(jié)能要求變得越來越重要。設(shè)計(jì)人員正在尋求效率更高、功耗更低的解決方案，以期減少不必要的能量損失。利用諧振電感和諧振電容的LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，使用零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)可獲得更加高效的解決方案。雖然LLC諧振轉(zhuǎn)換器具有更高的效率，采用不連續(xù)模式(DCM)或臨界導(dǎo)通模式(BCM)工作的次級(jí)端MOSFET的電流可能引起功率損耗。本文將討論如何使用次級(jí)端同步整流器電路來降低功率損耗，探討使用次級(jí)端電流使MOSFET同步導(dǎo)通和關(guān)斷的控制方法，以及使用LLC初級(jí)端柵極信號(hào)來控制MOSFET的電壓和導(dǎo)通時(shí)間的方法。

I. 前言：半橋LLC轉(zhuǎn)換器

為了獲得更高的功效，與200W到800W雙管正激轉(zhuǎn)換器相比，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的初級(jí)端MOSFET能夠輕易達(dá)到零電壓開關(guān)(ZVS)，以期節(jié)省能量，并且獲得更高的效率。此外，LLC諧振轉(zhuǎn)換器使用獨(dú)特的部件，能夠省略次級(jí)端的儲(chǔ)能電感，優(yōu)于雙管正激轉(zhuǎn)換器的方案，并減小在印刷電路板上的占位面積。由于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的特性，將會(huì)以臨界導(dǎo)通模式(BCM)或不連續(xù)模式(DCM)處理次級(jí)端電流，電流峰值將會(huì)大于雙管正激轉(zhuǎn)換器的電流峰值。下面將介紹幾種使用不同的檢測信號(hào)來控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的方法。

II. 同步整流器控制方法的分析

在LLC諧振轉(zhuǎn)換器控制次級(jí)端整流器時(shí)，尤其是在關(guān)斷的過程中，MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的控制定時(shí)是非常重要的。我們可以使用檢測LLC諧振轉(zhuǎn)換器初級(jí)端或次級(jí)端的電流或電壓信號(hào)的方式，來確定MOSFET導(dǎo)通的區(qū)域。圖1為LLC轉(zhuǎn)換器的同步整流電路圖。我們使用所示的電壓和電流符號(hào)，介紹四種在次級(jí)端同步整流器關(guān)斷過程中控制MOSFET的方法。

圖1. LLC轉(zhuǎn)換器的同步整流器電路圖

1. 檢測次級(jí)端電流(IDS1和IDS2)

通過檢測MOSFET的電流，可利用次級(jí)端同步整流器來控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，如圖2和3所示。由于需要檢測IDS1和IDS2，需要增加一個(gè)電流互感器(Current Transformer, CT)，從MOSFET信號(hào)中獲取控制信息。與初級(jí)端電流相比，次級(jí)端電流要大些，所以電流互感器的匝數(shù)比很大。最后，設(shè)計(jì)人員可以使用電阻將分離的電流信號(hào)變換成電壓信號(hào)，并將其發(fā)送至邏輯電路來控制MOSFET器件。

圖2所示為使用兩個(gè)電流互感器來檢測電流信號(hào)，圖3所示為使用一個(gè)電流互感器來檢測電流信號(hào)的情況，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，電路布局受到更多的限制，但是省去了一個(gè)電流互感器并且節(jié)省了線路板面積。

圖2. 使用雙電流互感器檢測同步整流器電流

圖3. 使用單一電流互感器檢測同步整流器電流

圖4所示為每個(gè)相位的情況，該相位使用由電流互感器的檢測電流轉(zhuǎn)換而來的電壓，以便控制MOSFET波形和GATE信號(hào)。設(shè)定的電平用作控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的基點(diǎn)。圖5所示為一個(gè)電流互感器檢測到電流后的兩個(gè)相位，轉(zhuǎn)換成電壓以確定MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的波形。我們觀察到電流互感器檢測到的波形是交流信號(hào)VXN，并且具有一個(gè)不同的輸出負(fù)載波形。在輕負(fù)載下，次級(jí)端電流集中在開關(guān)周期的終端，所以，控制MOSFET的GATE打開信號(hào)的時(shí)間會(huì)更短。如果輸出電流繼續(xù)降低，電流互感器檢測到的電流將會(huì)減小，我們可以使用檢測到的電平來確定在輕負(fù)載或無負(fù)載情況下關(guān)斷同步整流器的時(shí)間。