選擇半橋諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器和初級(jí)側(cè) MOSFET 時(shí)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

減少碳排放：很少有人質(zhì)疑減少碳排放的必要性，但挑戰(zhàn)需要不斷提高所有相關(guān)電子系統(tǒng)的效率。為這些系統(tǒng)供電的電源必須滿足三個(gè)要求：更高的效率、更高的功率密度和更高的組件密度。如何?通過應(yīng)用具有降低功耗的電氣配置。

在幾種類型的開關(guān)模式電源中，具有 LLC 半橋配置的諧振電源轉(zhuǎn)換器因其固有的實(shí)現(xiàn)更高效率(更低開關(guān)損耗)和增加開關(guān)頻率的能力而受到廣泛關(guān)注。在這些拓?fù)渲羞x擇正確的功率 MOSFET 是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)——特定的操作模式引入了低開關(guān)損耗和高可靠性等限制，必須同時(shí)滿足這些限制。

我們將了解諧振 LLC 拓?fù)涞奶匦?，特別是 MOSFET 器件在系統(tǒng)運(yùn)行期間的潛在故障機(jī)制。

LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器：拓?fù)浜吞匦?

LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)涞碾娐酚梢韵虏糠纸M成：

方波發(fā)生器

兩個(gè)功率 MOSFET Q 1(高端)和 Q 2(低端)被配置為產(chǎn)生單極方波電壓。

諧振槽

諧振網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)電容 C r和兩個(gè)電感 L r和 L m構(gòu)成。除了增加電感器 Lm 之外，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器看起來與 LC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (SRC) 非常相似。

整流器和濾波器

整流器由轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)、兩個(gè)用于全波整流的二極管和一個(gè)輸出電容器 C o 組成，用于平滑負(fù)載 R L的整流電壓。

經(jīng)過多年的研究，各種方法和技術(shù)已被用于 LLC 轉(zhuǎn)換器的分析和建模。

我們看到 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域分為兩個(gè)主要開關(guān)類型區(qū)域：ZCS 區(qū)域和 ZVS 區(qū)域。在第一區(qū)域 (ZCS) 中，與諧振回路中的電壓信號(hào)相比，電流信號(hào)延遲時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換。該行為是電容模式。電壓信號(hào)延遲的第二個(gè)區(qū)域 (ZVS) 會(huì)出現(xiàn)相反的行為。當(dāng)轉(zhuǎn)換器以高于諧振頻率 f r1的頻率進(jìn)行切換時(shí)，它始終在 ZVS 模式下運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)換器以低于諧振頻率 f r2的頻率進(jìn)行切換時(shí)，它始終在 ZCS 模式下運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在諧振頻率 f r1和 f r2之間的頻率上切換時(shí)，負(fù)載條件決定了轉(zhuǎn)換器是在 ZVS 還是 ZCS 模式下運(yùn)行。在正常工作條件下，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作高于但非常接近諧振頻率 f r1，這是獲得高效率的最佳工作點(diǎn)。

當(dāng)開關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，增益曲線都收斂于單位點(diǎn);換句話說，這個(gè)單位增益點(diǎn)是與負(fù)載無關(guān)的，只要輸入電壓相同，在該點(diǎn)工作的轉(zhuǎn)換器對(duì)于任何級(jí)別的輸出功率都不需要改變其開關(guān)頻率。

1 LLC 諧振 HB 中的非標(biāo)準(zhǔn)操作 1.1 電容區(qū)域操作

我們已經(jīng)看到 MOSFET 的電容區(qū)域代表了一個(gè)危險(xiǎn)的工作區(qū)域。一個(gè)例子是當(dāng)系統(tǒng)在低負(fù)載下工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)。在這種情況下，系統(tǒng)的頻率接近較低的諧振頻率，并且獲得了 ZVS。

現(xiàn)在，想象一下負(fù)載從低值變?yōu)楦咧担洪_關(guān)頻率應(yīng)遵循新的諧振頻率，如果沒有發(fā)生這種情況，我們可能會(huì)在區(qū)域 3 內(nèi)過渡。

當(dāng)電流通過體二極管循環(huán)時(shí)，MOSFET 關(guān)閉，并且由于拮抗 MOSFET 開啟，體二極管可能發(fā)生恢復(fù)。

在這種情況下，由于導(dǎo)電體二極管的電流和電壓，會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。

如果兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通，半橋拓?fù)淇赡軙?huì)出現(xiàn)致命的擊穿情況。一般來說，在體二極管的恢復(fù)期間，我們可能會(huì)出現(xiàn)大而充滿活力的正電流尖峰。

有幾種解決方案可以降低這種風(fēng)險(xiǎn)。例如，能夠管理死區(qū)時(shí)間或適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)電路的專用柵極驅(qū)動(dòng)器控制器可以增加死區(qū)時(shí)間或提供更高的 R門值。此外，芯片制造商現(xiàn)在正在推出恢復(fù)時(shí)間更短的專用 MOSFET 器件。一個(gè)恰當(dāng)?shù)睦樱篠TMicroelectronics 憑借其 MDmesh? DM2 MOSFET 技術(shù)，為客戶提供穩(wěn)健的解決方案，并在體二極管的恢復(fù)時(shí)間方面具有增強(qiáng)的性能。MDmesh? DM2 技術(shù)保證恢復(fù)時(shí)間低于 200ns。

正如我們之前討論過的，諧振轉(zhuǎn)換器可以在電容或電感區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)工作在感性區(qū)域時(shí)，開關(guān)處于 ZVS。在主開關(guān)從 ON 狀態(tài)變?yōu)?OFF 狀態(tài)的過渡期間，其電流 I p具有正值(紫色區(qū)域)并從漏極流向源極。如果系統(tǒng)工作在電容區(qū)域，則操作發(fā)生在 ZCS。在這種情況下，(米色區(qū)域)主開關(guān)上的電流從源極流向漏極，也涉及 MOSFET 結(jié)構(gòu)上的物理二極管。

LLC 系統(tǒng)可能會(huì)遇到電容模式操作，例如，在兩種情況下：

1.1.1 軟電容模式：

當(dāng)儲(chǔ)能電流相位逐漸接近零時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，例如在輸入電壓變低時(shí)以最大負(fù)載斷電時(shí)。通常在這種情況下，諧振控制器(如 STMicroelectronics 的 L6699A (2))具有高級(jí)保護(hù)功能(抗電容模式)，可以像過載一樣提高開關(guān)頻率，從而提高儲(chǔ)能電流相位。

1.1.2 硬電容模式

當(dāng)儲(chǔ)能電流相位從一個(gè)周期到另一個(gè)周期變?yōu)榱慊驗(yàn)樨?fù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，就像輸出短路的情況一樣。

在這種情況下，MOSFET 關(guān)閉，轉(zhuǎn)換器停止，并且沒有硬開關(guān)發(fā)生。

1.2 啟動(dòng)時(shí)的硬切換

在啟動(dòng)過程中，ZVS 條件可能會(huì)丟失，導(dǎo)致 MOSFET 硬開關(guān)，并出現(xiàn)巨大的二極管反向恢復(fù)電流。在啟動(dòng)時(shí)，諧振電容器兩端的電壓最初會(huì)放電，并且在充電到穩(wěn)態(tài)值 Vin/2 之前需要多個(gè)開關(guān)周期。在初始瞬態(tài)期間，可能會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)能電流的異常高峰值。在前一個(gè)或兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，儲(chǔ)能電流不會(huì)反向。在這種潛在的危險(xiǎn)情況下，我們的電容模式和硬開關(guān)操作可能在時(shí)間上極為有限。MOSFET 可能會(huì)超過最大 dv/dt 和 di/dt 額定值，從而導(dǎo)致故障。

使用與兩個(gè)柵極串聯(lián)的二極管和電阻器的組合來減慢電路的動(dòng)態(tài)可能會(huì)防止這些故障。

1.3 電源斷線引起的硬切換

硬開關(guān)模式也可能在 SMPS 正常運(yùn)行期間發(fā)生。事實(shí)上，如果主電源斷開，系統(tǒng)可能會(huì)被迫在電容模式下運(yùn)行。當(dāng)主電源被移除時(shí)(A 點(diǎn))，驅(qū)動(dòng)器固定的死區(qū)時(shí)間不足以維持感應(yīng)操作。然后，由于兩個(gè)設(shè)備之間的直通，電流不斷增加。

1.4 快速負(fù)載轉(zhuǎn)換引起的硬切換

快速負(fù)載轉(zhuǎn)換引起的硬切換怎么辦?在這種情況下，系統(tǒng)可能無法足夠快地改變開關(guān)頻率;當(dāng)控制系統(tǒng)試圖恢復(fù) SMPS 的正常感應(yīng)操作時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致電容模式操作。V gs信號(hào)(紫色線)顯示了在快速負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)工作頻率如何變化。圖中，電流(青色線)具有諧振 LLC 的典型形狀，在圖片中間，電壓 V ds(綠線)滯后于電流，變?yōu)殡娙菥W(wǎng)絡(luò)的典型電流。

結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了諧振 LLC 拓?fù)涞奶匦?，特別是 MOSFET 器件在系統(tǒng)運(yùn)行期間的潛在故障機(jī)制。

針對(duì)這些特殊情況，意法半導(dǎo)體建議其專用系列 DM2 具有改進(jìn)的性能。