提升電源系統(tǒng)可靠性的有效選擇

近來(lái)， LLC拓?fù)湟云涓咝?，高功率密度受到廣大電源設(shè)計(jì)工程師的青睞，但是這種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)鋵?duì)MOSFET的要求卻超過(guò)了以往任何一種硬開(kāi)關(guān)拓?fù)洹Ｌ貏e是在電源啟機(jī)，動(dòng)態(tài)負(fù)載，過(guò)載，短路等情況下。Infineon CoolMOS CFD2系列以其高擊穿電壓，快恢復(fù)體二極管，低Qg 和Coss能夠完全滿足這些需求并大大提升電源系統(tǒng)的可靠性。

1. 引言

長(zhǎng)期以來(lái)， 提升電源系統(tǒng)功率密度，效率以及系統(tǒng)的可靠性一直是研發(fā)人員面臨的重大課題。 提升電源的開(kāi)關(guān)頻率是其中的方法之一， 但是頻率的提升會(huì)影響到功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，使得提升頻率對(duì)硬開(kāi)關(guān)拓?fù)鋪?lái)說(shuō)效果并不十分明顯，硬開(kāi)關(guān)拓?fù)湟呀?jīng)達(dá)到了它的設(shè)計(jì)瓶頸。而此時(shí)，軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌鏛LC拓?fù)湟云洫?dú)具的特點(diǎn)受到廣大設(shè)計(jì)工程師的追捧。但是… 這種拓?fù)鋮s對(duì)功率器件提出了新的要求。

2. LLC 電路的特點(diǎn)

LLC 拓?fù)涞囊韵绿攸c(diǎn)使其廣泛的應(yīng)用于各種開(kāi)關(guān)電源之中：

1. LLC 轉(zhuǎn)換器可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

2. 能夠在輸入電壓和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率變化相對(duì)很小。

3. 采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

4. 減小次級(jí)同步整流MOSFET的電壓應(yīng)力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

5. 無(wú)需輸出電感，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

6. 采用更低電壓的同步整流MOSFET, 可以進(jìn)一步提升效率。

3. LLC 電路的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

圖1和圖2分別給出了LLC諧振變換器的典型線路和工作波形。如圖1所示LLC轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)功率MOSFET(Q1和Q2)，其占空比都為0.5;諧振電容Cr,副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器Tr,等效電感Lr,勵(lì)磁電感Lm,全波整流二極管D1和D2以及輸出電容Co。

圖1 LLC諧振變換器的典型線路

圖2 LLC諧振變換器的工作波形

而LLC有兩個(gè)諧振頻率，Cr, Lr 決定諧振頻率fr1; 而Lm, Lr, Cr決定諧振頻率fr2。

系統(tǒng)的負(fù)載變化時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)工作頻率的變化，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)， MOSFET開(kāi)關(guān)頻率減小， 當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率增大。

3.1 LLC諧振變換器的工作時(shí)序

LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

1)〔t1,t2〕

Q1關(guān)斷，Q2開(kāi)通，電感Lr和Cr進(jìn)行諧振，次級(jí)D1關(guān)斷，D2開(kāi)通，二極管D1約為兩倍輸出電壓，此時(shí)能量從Cr, Lr轉(zhuǎn)換至次級(jí)。直到Q2關(guān)斷。

2)〔t2,t3〕

Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)處于死區(qū)時(shí)間， 此時(shí)電感Lr, Lm電流給Q2的輸出電容充電，給Q1的輸出電容放電直到Q2輸出電容的電壓等于Vin.

次級(jí)D1和D2關(guān)斷 Vd1=Vd2=0, 當(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)該相位結(jié)束。

3)〔t3,t4〕

Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷。D1導(dǎo)通， D2關(guān)斷， 此時(shí)Vd2=2Vout

Cr和Lr諧振在fr1, 此時(shí)Ls的電流通過(guò)Q1返回到Vin,直到Lr的電流為零次相位結(jié)束。

4)〔t4,t5〕

Q1導(dǎo)通， Q2關(guān)斷， D1導(dǎo)通， D2關(guān)斷，Vd2=2Vout

Cr和Lr諧振在fr1, Lr的電流反向通過(guò)Q1流回功率地。 能量從輸入轉(zhuǎn)換到次級(jí)，直到Q1關(guān)斷該相位結(jié)束

5)〔t5,t6)

Q1,Q2同時(shí)關(guān)斷， D1,D2關(guān)斷， 原邊電流I(Lr+Lm)給Q1的Coss充電， 給Coss2放電， 直到Q2的Coss電壓為零。 此時(shí)Q2二極管開(kāi)始導(dǎo)通。 Q2開(kāi)通時(shí)相位結(jié)束。

6)〔t6,t7〕

Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，D1關(guān)斷， D2 開(kāi)通，Cr和Ls諧振在頻率fr1, Lr 電流經(jīng)Q2回到地。 當(dāng)Lr電流為零時(shí)相位結(jié)束。

3.2 LLC諧振轉(zhuǎn)換器異常狀態(tài)分析

以上描述都是LLC工作在諧振模式， 接下來(lái)我們分析LLC轉(zhuǎn)換器在啟機(jī)， 短路， 動(dòng)態(tài)負(fù)載下的工作情況。

3.21 啟機(jī)狀態(tài)分析

通過(guò)LLC 仿真我們得到如圖3所示的波形，在啟機(jī)第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，上下管會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)短暫的峰值電流Ids1 和Ids2. 由于MOSFET Q1開(kāi)通時(shí)會(huì)給下管Q2的輸出電容Coss充電，當(dāng)Vds為高電平時(shí)充電結(jié)束。而峰值電流Ids1和Ids2也正是由于Vin通過(guò)MOSFET Q1 給Q2 結(jié)電容Coss的充電而產(chǎn)生。

圖3 LLC 仿真波形

我們將焦點(diǎn)放在第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)如圖4,我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)跟第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期類似的尖峰電流，而且峰值會(huì)更高，同時(shí)MOSFET Q2 Vds也出現(xiàn)一個(gè)很高的dv/dt峰值電壓。那么這個(gè)峰值電流的是否仍然是Coss引起的呢? 我們來(lái)做進(jìn)一步的研究。

圖4 第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期波形圖