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在当时全球能源危机的方式下,进步电子设备的能效,取得高功能一起下降能耗,成为业界新的关注点。为适应这一趋势,世界上许多电子厂商期望在产品规范中进步能效规范。在电源办理方面,用传统的硬开关转换器是很难到达新能效规范。因而,电源规划者已将开发方向转向软开关拓扑,以进步电源的能效,完成更高的作业频率。

LLC谐振转换器便是一种软开关拓扑,答应主功率开关管零电压开关,明显下降开关损耗,大幅进步电源能效。在这种拓扑中,为了完成ZVS开关,功率开关管的寄生体二极管有必要反向康复时间十分短。假如体二极管不能康复悉数载流子,则在负载从低到高的改动进程中,或许会发僵硬开关操作,并或许导致寄生双极晶体管导通。

1.前语

在电信设备电源、大型计算机/服务器、电焊机、钢材切割机等消费运用市场上,对功率密度的需求每年都在添加。要想进步功率密度,就有必要削减元件数量,下降功率损耗,减缩散热器和无源器材的尺度。现在,硬开关半桥是这些运用的典型拓扑,而LLC谐振半桥则是新式的代替计划。LLC拓扑确保导通前开关管电压为零(或许关断期间开关管电流为零),然后消除每次开关时因电流和电压交叠而导致的功率损耗。

在高频运用中选用这种开关技能相同能够下降开关损耗,然后有助于减缩无源器材的尺度。清楚明了,开关功率损耗下降为在运用规划中选用尺度更小的散热器供给了或许。零电压条件发作是MOSFET寄生体二极管导通所造成的。在负载快速改动进程中,MOSFET从零电压开关切换零电流开关,在这种状况下,高dv / dt值可使寄生双极晶体管导通并焚毁MOSFET。

2.拓扑简介

LLC拓扑的根本半桥电路是由两个开关管组成,高边开关管(Q1)和低边开关管(Q2)通过电感Lr和电容Cr与变压器相连(见图1)。开关管与寄生体二极管(D1和D2)和寄生输出电容(C1和C2)并联,为了说明它们在大局功用中的效果,咱们在图中把它们独自标示出来。

在图1中,咱们注意到多出一个Lm电感,实践上,Lm是变压器漏电感,其规则在LLC拓扑中十分重要。

图1:LLC半桥电路

假如变压器原边电感Lm值很大,不会影响谐振网络,则上图所示的转换器便是一个串联谐振转换器。

图2

在一个谐振单元中,当输入信号频率(fi)等于谐振频率(fr)时 - 即当LC阻抗为零时,增益最大。谐振转换器作业频率规模是由两个特定的谐振频率值界定,这些频率值与电路有关。驱动控制器设定MOSFET的开关频率(fs)等于电路谐振频率,以确保谐振的重要优势。

现在咱们将看到,怎么通过改动负载,使谐振频率从最小值(fr2)变为最大值(fr1):

当 在LLC拓扑中,挑选体二极管康复快的MOSFET的原因是什么 时,

LLC就像一个串联的RC谐振腔; 这种功用呈现在高负载条件下,即当Lm与低阻抗并联时;当 在LLC拓扑中,挑选体二极管康复快的MOSFET的原因是什么时,LLC类似于并联RC谐振腔,这功用呈现在低负载条件下。体系一般不在这个区域作业,因为能够在ZCS条件下运转。假如频率fi在fr2 《 fi 《 fr1规模内,则两个功用一起存在。 假如运用图形表明谐振单元的增益,咱们就得到图3所示的曲线,不难看出,图形改动与Q值相关。

在LLC拓扑中,挑选体二极管康复快的MOSFET的原因是什么

图3

LLC谐振转换器的作业规模受限于峰值增益。值得注意的是,峰值电压增益既不发作在fr1处 ,也不呈现在 fr2处。峰值增益对应的峰值增益频率是fr2与fr1之间的最大频率。跟着Q值减小(跟着负载减小),峰值增益频率移向fr2,而且取得更高的峰值增益。跟着Q值添加(负载添加),峰值增益频率移向fr1,峰值增益下降。因而,满载应该是谐振网络规划的最差作业条件。

从MOSFET视点看,如前所述,MOSFET的软开关是包含LLC在内的谐振转换器的重要长处,而关于整个体系,因为输出电流是正弦波,因而, EMI搅扰下降。图4所示是LLC转换器的典型波形特性。

图4:LLC转换器的典型波形

在图4中咱们注意到,漏极电流Ids1在变正前是在负电流区摇摆。负电流值表明体二极管导通。在此阶段,因为二极管上的压降,MOSFET漏源南北极的电压十分小。假如MOSFET在体二极管导通期间开关,则发作ZVS开关,开关损耗下降。该特功能够减缩散热器尺度,进步体系能效。

假如MOSFET开关频率fs小于fr1,功率器材上的电流的形状会改动。事实上,假如持续时间足以在输出二极管上发生不接连的电流,则原边电流形状会违背正弦波形。

图5:fs 《fr1时的LLC转换器的典型波形

此外,假如MOSFET的寄生输出电容C1和C2与Cr的容值适当,则谐振频率fr也会遭到器材的影响。正是因为这个原因,在规划进程中,挑选Cr值大于C1和C2,能够处理这个问题,使fr值不受所用器材的影响。

3. 续流和ZVS条件

剖析一下谐振频率的方程式就会发现,在高于峰值增益频率时,谐振网络的输入阻抗是感抗,谐振网络的输入电流(Ip)滞后于谐振网络的输入电压(Vd)。在低于峰值增益频率时,谐振网络的输入阻抗变为容抗,而且Ip抢先Vd。在电容区作业时,体二极管在MOSFET开关期间履行反向康复操作。

当体系在电容区作业时,MOSFET会面对极大的潜在失效风险。事实上,如图6中的绿色圆圈所示,寄生体二极管的反向康复时间变得十分重要。

图6

依据这一点,在负载由低变高的进程中(图7),驱动电路应强制MOSFET进入ZVS和正关断电流区。假如无法确保,MOSFET的作业区或许很风险。

图7

在低负载稳态条件下,体系作业在频率较低的谐振频率fr2邻近,然后ZVS导通,并确保正关断漏极电流。在负载改动(从低到高)后,开关频率应该变成新的谐振频率。假如没有发作这种状况(如图8中绿线所示),则体系状况通过区域3(ZCS区域)和ZVS导通,正关断漏极电流不会呈现。因而,当MOSFET关断时,电流也会流过寄生体二极管。

在增益图上剖析一下负载从低变高的进程,咱们不难发现:

图8

黑虚线代表负载改动期间的抱负途径,而绿虚线表明实践途径。在负载从低变高的进程中,能够看到体系通过ZCS区域,因而,寄生体二极管的功能变得十分重要。出于这个原因,新LLC规划的趋势是运用体二极管康复时间十分短的功率器材。

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