摘要

 

目前，在全球能源危機的情況下，提高電子設備的能效，取得高性能同時(shí)降低能耗，成為業(yè)內新的關(guān)注點(diǎn)。為順應這一趨勢，世界上許多電子廠(chǎng)商希望在產(chǎn)品規格中提高能效標準。在電源管理方面，用傳統的硬開(kāi)關(guān)轉換器是很難達到新能效標準。因此，電源設計者已將開(kāi)發(fā)方向轉向軟開(kāi)關(guān)拓撲，以提高電源的能效，實(shí)現更高的工作頻率。

 

LLC諧振轉換器就是一種軟開(kāi)關(guān)拓撲，允許主功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)，顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗，大幅提高電源能效。在這種拓撲中，為了實(shí)現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時(shí)間非常短。如果體二極管不能恢復全部載流子，則在負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，并可能導致寄生雙極晶體管導通。

 

1.前言

在電信設備電源、大型計算機/服務(wù)器、電焊機、鋼材切割機等消費應用市場(chǎng)上，對功率密度的需求每年都在增長(cháng)。要想提高功率密度，就必須減少元件數量，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)半橋是這些應用的典型拓撲，而LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓撲確保導通前開(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致的功率損耗。

 

在高頻應用中采用這種開(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用設計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寄生體二極管導通所致。在負載快速變化過(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通并燒毀MOSFET。

 

2.拓撲簡(jiǎn)介

LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個(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)，為了闡明它們在全局功能中的作用，我們在圖中把它們單獨標注出來(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，其規則在LLC拓撲中非常重要。

 

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 )，則上圖所示的轉換器就是一個(gè)串聯(lián)諧振轉換器。

 

圖2

 

在一個(gè)諧振單元中，當輸入信號頻率(fi)等于諧振頻率(fr)時(shí) - 即當LC阻抗為零時(shí)，增益最大。諧振轉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)。驅動(dòng)控制器設定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。

 

現在我們將看到，如何通過(guò)改變負載，使諧振頻率從最小值(fr2)變?yōu)樽畲笾?fr1)：

 

 

 

當時(shí)，LLC就像一個(gè)串聯(lián)的RC諧振腔; 這種功能出現在高負載條件下，即當Lm與低阻抗并聯(lián)時(shí)；當時(shí)，LLC類(lèi)似于并聯(lián)RC諧振腔，這功能出現在低負載條件下。系統通常不在這個(gè)區域工作，因為可以在ZCS條件下運行。如果頻率fi在fr2 < fi < fr1范圍內，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(xiàn)，不難看出，圖形變化與Q值相關(guān)。

 

圖3

 

LLC諧振轉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 ，也不出現在 fr2處。峰值增益對應的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著(zhù)Q值減?。S著(zhù)負載減?。?，峰值增益頻率移向fr2，并且獲得更高的峰值增益。隨著(zhù)Q值增加（負載增加），峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿(mǎn)載應該是諧振網(wǎng)絡(luò )設計的最差工作條件。

 

從MOSFET角度看，如前所述，MOSFET的軟開(kāi)關(guān)是包括LLC在內的諧振轉換器的重要優(yōu)點(diǎn)，而對于整個(gè)系統，由于輸出電流是正弦波，因此， EMI干擾降低。圖4所示是LLC轉換器的典型波形特性。

 

圖4：LLC轉換器的典型波形

 

在圖4中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負電流區擺動(dòng)。負電流值表示體二極管導通。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，如果持續時(shí)間足以在輸出二極管上產(chǎn)生不連續的電流，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，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，在設計過(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.     續流和ZVS條件

分析一下諧振頻率的方程式就會(huì )發(fā)現，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。在電容區工作時(shí)，體二極管在MOSFET開(kāi)關(guān)期間執行反向恢復操作。

 

當系統在電容區工作時(shí)，MOSFET會(huì )面臨極大的潛在失效風(fēng)險。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時(shí)間變得非常重要。

 

圖6

 

根據這一點(diǎn)，在負載由低變高的過(guò)程中（圖7），驅動(dòng)電路應強制MOSFET進(jìn)入ZVS和正關(guān)斷電流區。如果無(wú)法保證，MOSFET的工作區可能很危險。

 

圖7

 

在低負載穩態(tài)條件下，系統工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然后ZVS導通，并保證正關(guān)斷漏極電流。在負載變化（從低到高）后，開(kāi)關(guān)頻率應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(xiàn)所示），則系統狀態(tài)經(jīng)過(guò)區域3（ZCS區域）和ZVS導通，正關(guān)斷漏極電流不會(huì )出現。因此，當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載從低變高的過(guò)程，我們不難發(fā)現：

 

圖8

 

黑虛線(xiàn)代表負載變化期間的理想路徑，而綠虛線(xiàn)表示實(shí)際路徑。在負載從低變高的過(guò)程中，可以看到系統經(jīng)過(guò)ZCS區域，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設計的趨勢是使用體二極管恢復時(shí)間非常短的功率器件。