圖1和圖2分別給出了LLC諧振變換器的典型線路和工作波形。如圖1所示LLC轉(zhuǎn)換器包括兩個功率MOSFET(Q1和Q2),其占空比都為0.5;諧振電容Cr,副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器Tr,等效電感Lr,勵磁電感Lm,全波整流二極管D1和D2以及輸出電容Co。
圖1 LLC諧振變換器的典型線路
圖2 LLC諧振變換器的工作波形。
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)的負載變化時會造成系統(tǒng)工作頻率的變化,當負載增加時, MOSFET開關(guān)頻率減小, 當負載減小時,開關(guān)頻率增大。
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Q1開通時該相位結(jié)束。
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Lr電流為零時相位結(jié)束。
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, 短路, 動態(tài)負載下的工作情況。
3、 啟機狀態(tài)分析
通過LLC 仿真我們得到如圖3所示的波形,在啟機第一個開關(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)跟第一個開關(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, (https://www.dgzj.com/ 電工之家)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。在啟機時加在二極管兩端的電壓Vd=Id2 x Ron. 而Id2在啟機時幾乎為零,而二極管在Vd較低時需要很長的時間來進行反向恢復(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)生遠比第一個開關(guān)周期高的峰值電流,同時當MOSFET在啟機的時dv/dt高118.4V/ns. 而Vds電壓更是超出了600V的最大值。MOSFET在啟機時存在風(fēng)險。
圖6
4、 異常狀態(tài)分析
下面我們繼續(xù)分析在負載劇烈變化時,對LLC拓撲來說存在那些潛在的風(fēng)險。
在負載劇烈變化時,如短路,動態(tài)負載等狀態(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LLC電路出現(xiàn)過載,短路,動態(tài)負載等條件下, 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的機會。
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原文標題:LLC原理詳解
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