在半橋諧振轉(zhuǎn)換器中提升次級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)工作的次級端MOSFET的電流可能引起功率損耗。本文將討論如何使用次級端同步整流器電路來降低功率損耗，探討使用次級端電流使MOSFET同步導(dǎo)通和關(guān)斷的控制方法，以及使用LLC初級端柵極信號來控制MOSFET的電壓和導(dǎo)通時間的方法。

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，能夠省略次級端的儲能電感，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，將會以臨界導(dǎo)通模式(BCM)或不連續(xù)模式(DCM)處理次級端電流，電流峰值將會大于雙管正激轉(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)換器控制次級端整流器時，尤其是在關(guān)斷的過程中，MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的控制定時是非常重要的。我們可以使用檢測LLC諧振轉(zhuǎn)換器初級端或次級端的電流或電壓信號的方式，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，介紹四種在次級端同步整流器關(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. 檢測次級端電流(IDS1和IDS2)

通過檢測MOSFET的電流，可利用次級端同步整流器來控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，如圖2和3所示。由于需要檢測IDS1和IDS2，需要增加一個電流互感器(Current Transformer, CT)，從MOSFET信號中獲取控制信息。與初級端電流相比，次級端電流要大些，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變換成電壓信號，并將其發(fā)送至邏輯電路來控制MOSFET器件。

圖2所示為使用兩個電流互感器來檢測電流信號，圖3所示為使用一個電流互感器來檢測電流信號的情況，在這個設(shè)計(jì)中，電路布局受到更多的限制，但是省去了一個電流互感器并且節(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。設(shè)定的電平用作控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的基點(diǎn)。圖5所示為一個電流互感器檢測到電流后的兩個相位，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VXN，并且具有一個不同的輸出負(fù)載波形。在輕負(fù)載下，次級端電流集中在開關(guān)周期的終端，所以，控制MOSFET的GATE打開信號的時間會更短。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)斷同步整流器的時間。[!--empirenews.page--]

圖4. 雙電流互感器控制同步整流器的波形

圖5. 單一電流互感器控制同步整流器的波形

雖然使用電流互感器檢測電流信號能夠控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，但還是存在不足。通過監(jiān)測流過電流互感器次級端的電流來檢測信號，會少許增大電流互感器的電流損耗，略微降低SR的效率。如果是這樣，在發(fā)生最輕微的過負(fù)載時必須關(guān)斷同步整流器的功能，設(shè)計(jì)人員必需在兩個電路相位反轉(zhuǎn)和交替時仔細(xì)監(jiān)測電流。

2. 檢測次級端同步整流器電壓VDET

使用電流互感器檢測次級端電流，可以方便地控制MOSFET，但為了避免電流互感器上的損耗，可以使用另一種檢測方法。為此，在檢測MOSFET導(dǎo)通時，利用RDSON上的電壓來揭示MOSFET電流的直接比率。這樣在MOSFET導(dǎo)通時檢測了電壓，并且提供了一種控制關(guān)斷時間的方法。MOSFET導(dǎo)通定時使用了跨越MOSFET的體二極管。當(dāng)次級端電流相位轉(zhuǎn)換時，電流通過MOSFET，使其關(guān)斷。使用這些條件來控制MOSFET的導(dǎo)通定時，MOSFET上的電壓將會降低二極管的正向電壓VF。如圖6所示，當(dāng)IDS開始通過MOSFET的體二極管時，MOSFET上的電壓VDET為負(fù)，觸發(fā)發(fā)出GATE信號來導(dǎo)通MOSFET。在GATE導(dǎo)通時，可以觀察到VDET下降，電壓為RDSON*IDS。

圖6. 同步整流器的VDS波形

該檢測方法可與使用電流互感器檢測電流的方法相媲美，防止電流互感器之間和電流互感器上的能量損失，并精確地控制電流互感器的使用。這種方法最適合LLC次級端同步整流器。重要的是保證檢測VDET 信號到控制電路之間的間隔不能太長，可能由于線路內(nèi)電感的寄生效應(yīng)造成信號的失真，此外，需要控制的信號會受到干擾。選擇最低的MOSFET RDSON和最小的過載輸出是控制MOSFET關(guān)斷定時的簡便方法。

3. 檢測次級端同步整流器的導(dǎo)通周期

在MOSFET導(dǎo)通時，可以使用與檢測V?DS相同的方法來檢測VDET電壓。通過檢測VDS導(dǎo)通時間，并且在MOSFET導(dǎo)通后VDET處于接近0V的低電壓下，可以測量同步整流器的導(dǎo)通時間(tDETL)，在這段時間內(nèi)，DETL低于低電平(大約1~2V)。該信息用來確定同步整流器柵極針對下一個開關(guān)周期的關(guān)斷時間。為什么能夠使用這個功能，原因是LLC拓?fù)涞母邆?cè)和低側(cè)開關(guān)占空比是對稱的，在穩(wěn)定狀態(tài)下，開關(guān)頻率不會有大的變化。控制導(dǎo)通的定時使用了MOSFET的體二極管，MOSFET先導(dǎo)通，然后斷開。

圖7所示為這種控制方式。在過程開始時獲取信息作為控制MOSFET關(guān)斷的方法，這種方法使GATE較早關(guān)斷，以防止由于某些原因而造成MOSFET晚關(guān)斷。在MOSFET導(dǎo)通且受到噪聲和連線的一些干擾時，這種方式比直接檢測VDET上微小負(fù)電壓的方式更加穩(wěn)定。由于電流低至0A，tDEAD的周期(從GATE關(guān)斷的定時到IDS的定時)將變長，減低同步整流器的活動性可以改善能效。

圖7. 同步整流器的VDS波形[!--empirenews.page--]

4. 使用LLC諧振轉(zhuǎn)換器初級端柵極信號的同步控制

使用LLC諧振轉(zhuǎn)換器初級端柵極信號的同步控制是最直接的控制方法。使用由初級高側(cè)和低側(cè)信號計(jì)算而來的GATE信號，并將結(jié)果提供給次級端，控制相應(yīng)的次級端MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。如圖8所示，處理高側(cè)和低側(cè)的額外信號后，使用邏輯電路發(fā)送信號來控制次級端的MOSFET。注意，VHG和VLG的信號不能直接從計(jì)算導(dǎo)出，最有效的方法是使用LLC的信號來生成VHG和VLG信號，控制初級端的MOSFET。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，相應(yīng)的次級端MOSFET需要早于初級端MOSFET關(guān)斷，原始的LLC控制信號不能直接驅(qū)動MOSFET，必須發(fā)送一個新信號。

圖8. 使用初級端LLC信號控制同步整流器電路

使用這種檢測方法時必須滿足兩點(diǎn)要求：

A. 當(dāng)在II區(qū)域中使用LLC時，由于可能出現(xiàn)諧振電流IL低于磁性電流IM，這會使IP為零并且造成初級端和次級端的去耦合。去耦合的主要條件是次級端二極管關(guān)斷。所以，如果要改變同步整流器電路，需要在這一時間間隔內(nèi)關(guān)斷MOSFET。我們無法通過監(jiān)測初級端LLC控制的信號來了解該現(xiàn)象何時出現(xiàn)，所以必須添加功能，早些關(guān)斷SR，以阻止電流反向。

B. 當(dāng)LLC系統(tǒng)工作于I區(qū)域時，從圖9我們能夠找出初級端GATE信號與次級端電流的關(guān)系。當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET關(guān)斷時，次級端的相應(yīng)電流還沒有降到零，所以，雖然次級端沒有出現(xiàn)相位立即改變的情況，但會發(fā)生相位置換的情況。工作于I區(qū)域的現(xiàn)象和相位置換時間的長度將會伴隨過載的交換。因此，當(dāng)使用初級端信號來控制同步整流器時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)增加功能，以推遲同步整流(SR)的導(dǎo)通和關(guān)斷。這樣會確保這種情況不會發(fā)生并且能夠防止同步整流器受到初級端諧振電流的損壞。圖10所示為正常工作的同步整流器波形。

圖9. 次級端和初級端LLC信號的繞組電壓波形

圖10. 同步整流器波形和初級端LLC信號

III.結(jié)論

最后，表1給出了四種檢測方法。從邏輯上講，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，就控制而言，檢測電流會比檢測VDET容易。最復(fù)雜的方法是與LLC信號同步，這要求增加功能，以改善I區(qū)域和II區(qū)域的情況。檢測電流需要使用電流互感器(CT)，而使用初級端LLC的信號則需要電壓互感器(PT)。因此，各種因素更加難以控制。在布局設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在確定電流互感器的電流檢測方法以及MOSFET非常精確的RDSON電壓時必需非常仔細(xì)。因?yàn)闄z測到的RDSON電壓大約為1mV至10mV，所以更易受到干擾。采用通過PT發(fā)送同步信號的初級端LLC信號方式，要求設(shè)計(jì)人員考慮噪聲問題。

如果同步整流器死區(qū)時間受到布局和已降低噪聲的影響，檢測RDSON電壓的方法可以使得變化最小。由于交換頻率的差異，檢測VDET所需的時間將改變同步整流器的死區(qū)時間。從安全方面考慮，該功能時間是最長的。與LLC信號同步的方法將根據(jù)I區(qū)域相位移動的改善程度來確定同步整流器的死區(qū)時間。高效設(shè)計(jì)的最終考慮因素表明同步整流器的死區(qū)時間越短，其工作效率越高。因?yàn)樵黾与娏骰ジ衅鱽頇z測電流會增加損耗，其效率將會低于檢測VDET時間的方法。因此，在設(shè)計(jì)過程中，我們可以選擇合適的檢測和控制功效的方法。

表1. 次級端繞組電壓波形和初級端LLC信號