而LLC有兩個諧振頻率,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)載變化時會造成系統(tǒng)工作頻率的變化,當(dāng)負(fù)載增加時, MOSFET開關(guān)頻率減小, 當(dāng)負(fù)載減小時,開關(guān)頻率增大。
3.1 LLC諧振變換器的工作時序
LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下:
1)〔t1,t2〕
Q1關(guān)斷,Q2開通,電感Lr和Cr進(jìn)行諧振,次級D1關(guān)斷,D2開通,二極管D1約為兩倍輸出電壓,此時能量從Cr, Lr轉(zhuǎn)換至次級。直到Q2關(guān)斷。
2)〔t2,t3〕
Q1和Q2同時關(guān)斷,此時處于死區(qū)時間, 此時電感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D1和D2關(guān)斷 Vd1=Vd2=0, 當(dāng)Q1開通時該相位結(jié)束。
3)〔t3,t4〕
Q1導(dǎo)通,Q2關(guān)斷。D1導(dǎo)通, D2關(guān)斷, 此時Vd2=2Vout
Cr和Lr諧振在fr1, 此時Ls的電流通過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Q1流回功率地。 能量從輸入轉(zhuǎn)換到次級,直到Q1關(guān)斷該相位結(jié)束
5)〔t5,t6)
Q1,Q2同時關(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Q2二極管開始導(dǎo)通。 Q2開通時相位結(jié)束。
6)〔t6,t7〕
Q1關(guān)斷,Q2導(dǎo)通,D1關(guān)斷, D2 開通,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, 接下來我們分析LLC轉(zhuǎn)換器在啟機(jī), 短路, 動態(tài)負(fù)載下的工作情況。
3.2.1 啟機(jī)狀態(tài)分析
通過LLC 仿真我們得到如圖3所示的波形,在啟機(jī) 個開關(guān)周期,上下管會同時出現(xiàn)一個短暫的峰值電流Ids1 和Ids2. 由于MOSFET Q1開通時會給下管Q2的輸出電容Coss充電,當(dāng)Vds為高電平時充電結(jié)束。而峰值電流Ids1和Ids2也正是由于Vin通過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)放在第二個開關(guān)周期時如圖4,我們發(fā)現(xiàn)此時也會出現(xiàn)跟 個開關(guān)周期類似的尖峰電流,而且峰值會更高,同時MOSFET Q2 Vds也出現(xiàn)一個很高的dv/dt峰值電壓。那么這個峰值電流的是否仍然是Coss引起的呢? 我們來做進(jìn)一步的研究。
圖4 第二個開關(guān)周期波形圖
對MOSFET結(jié)構(gòu)有一定了解的工程師都知道,MOSFET不同于IGBT,在MOSFET內(nèi)部其實(shí)寄生有一個體二極管,跟普通二極管一樣在截止過程中都需要中和載流子才能反向恢復(fù), 而只有二極管兩端加上反向電壓才能夠使這個反向恢復(fù)快速完成, 而反向恢復(fù)所需的能量跟二極管的電荷量Qrr相關(guān), 而體二極管的反向恢復(fù)同樣需要在體二極管兩端加上一個反向電壓。在啟機(jī)時加在二極管兩端的電壓Vd=Id2 x Ron。而Id2在啟機(jī)時幾乎為零,而二極管在Vd較低時需要很長的時間來進(jìn)行反向恢復(fù)。如果死區(qū)時間設(shè)置不夠,如圖5所示高的dv/dt會直接觸發(fā)MOSFET內(nèi)的BJT從而擊穿MOSFET。
圖5
通過實(shí)際的測試,我們可以重復(fù)到類似的波形,第二個開關(guān)周期產(chǎn)生遠(yuǎn)比 個開關(guān)周期高的峰值電流,同時當(dāng)MOSFET在啟機(jī)的時dv/dt高118,4V/ns。而Vds電壓更是超出了600V的 大值。MOSFET在啟機(jī)時存在風(fēng)險。
圖6
3.2.2 異常狀態(tài)分析
下面我們繼續(xù)分析在負(fù)載劇烈變化時,對LLC拓?fù)鋪碚f存在那些潛在的風(fēng)險。
在負(fù)載劇烈變化時,如短路,動態(tài)負(fù)載等狀態(tài)時,LLC電路的關(guān)鍵器件MOSFET同樣也面臨著挑戰(zhàn)。
通常負(fù)載變化時LLC 都會經(jīng)歷以下3個狀態(tài)。我們稱之為硬關(guān)斷,而右圖中我們可以比較在這3個時序當(dāng)中,傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS內(nèi)部載流子變化的不同, 以及對MOSFET帶來的風(fēng)險。
時序1,Q2零電壓開通,反向電流經(jīng)過MOSFET和體二極管,此時次級二極管D2開通,D1關(guān)段。
-傳統(tǒng)MOSFET此時電子電流經(jīng)溝道區(qū),從而減少空穴數(shù)量
-CoolMOS此時同傳統(tǒng)MOSFET一樣電子電流經(jīng)溝道,穴減少,不同的是此時CoolMOS 的P井結(jié)構(gòu)開始建立。
時序2,Q1和Q2同時關(guān)斷,反向電流經(jīng)過MOSFETQ2體二極管。
Q1和Q2關(guān)斷時對于傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS來說內(nèi)部電子和空穴路徑和流向并沒有太大的區(qū)別。
時序3,Q1此時開始導(dǎo)通,由于負(fù)載的變化,此時MOSFET Q2的體二極管需要很長的時間來反向
恢復(fù)。當(dāng)二極管反向恢復(fù)沒有完成時MOSFET Q2出現(xiàn)硬關(guān)斷, 此時Q1開通,加在Q2體二極管上的電壓會在二極管形成一個大電流從而觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT造成雪崩。
-傳統(tǒng)MOSFET此時載流子抽出,此時電子聚集在PN節(jié)周圍, 空穴電流擁堵在PN節(jié)邊緣。
-CoolMOS的電子電流和空穴電流各行其道, 此時空穴電流在已建立好的P井結(jié)構(gòu)中流動,并無電子擁堵現(xiàn)象。
綜上, 當(dāng)LLC電路出現(xiàn)過載,短路,動態(tài)負(fù)載等條件下, 一旦二極管在死區(qū)時間不能及時反向恢復(fù), 產(chǎn)生的巨大的復(fù)合電流會觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT使MOSFET失效。
有的 CoolMOS采用Super Juction結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)在MOSFET硬關(guān)斷的狀態(tài)下, 載流子會沿垂直構(gòu)建的P井中復(fù)合, 基本上沒有側(cè)向電流, 大大減少觸發(fā)BJT的機(jī)會。
四、如何更容易實(shí)現(xiàn)ZVS
通過以上的分析,可以看到增加MOSFET的死區(qū)時間,可以提供足夠的二極管反向恢復(fù)時間同時降低高dv/dt, di/dt 對LLC電路造成的風(fēng)險。但是增加死區(qū)時間是 的選擇么?下面我們進(jìn)一步分析如何夠降低風(fēng)險提升系統(tǒng)效率。
圖7
對于LLC 電路來說死區(qū)時間的初始電流為:
而LLC能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS必須滿足:
而小勵磁電感為:
根據(jù)以上3個等式,我們可以通過以下三種方式讓LLC實(shí)現(xiàn)ZVS:
加Ipk;
第二, 增加死區(qū)時間;
第三, 減小等效電容Ceq即Coss。
從以上幾種狀況,我們不難分析出。增加Ipk會增加電感尺寸以及成本,增加死區(qū)時間會降低正常工作時的電壓,而 好的選擇無疑是減小Coss,因?yàn)闇p小無須對電路做任何調(diào)整,只需要換上一個Coss相對較小MOSFET即可。
五、結(jié)論
LLC 拓?fù)鋸V泛的應(yīng)用于各種開關(guān)電源當(dāng)中,而這種拓?fù)湓谔嵘实耐瑫r也對MOSFET提出了新的要求。不同于硬開關(guān)拓?fù)?,軟開關(guān)LLC諧振拓?fù)?,不僅僅對MOSFET的導(dǎo)通電阻(導(dǎo)通損耗),Qg(開關(guān)損耗)有要求,同時對于如何能夠有效的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),如何降低失效率,提升系統(tǒng)可靠性,降低系統(tǒng)的成本有更高的要求。CoolMOS,具有快速的體二極管,低Coss,有的可高達(dá)650V的擊穿電壓,使LLC拓?fù)溟_關(guān)電源具有更高的效率和可靠性。