LLC拓?fù)渲?，為什么選用體二極管恢復(fù)快的MOSFET（FR-MOS）

LLC拓?fù)涞幕景霕螂娐肥怯蓛蓚€開關(guān)管組成，高邊開關(guān)管(Q1)和低邊開關(guān)管(Q2)通過電感Lr和電容Cr與變壓器相連（見圖1）。開關(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(biāo)注出來。

在圖1中，我們注意到多出一個Lr電感，實際上，Lr是變壓器漏電感，其規(guī)則在LLC拓?fù)渲蟹浅Ｖ匾?/p>

? ? ? ? ? ?

圖1：LLC半橋電路

如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會影響諧振網(wǎng)絡(luò)，則上圖所示的轉(zhuǎn)換器就是一個串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。

? ? ? ? ? ?

圖2

在一個諧振單元中，當(dāng)輸入信號頻率(fi)等于諧振頻率(fr)時 - 即當(dāng)LC阻抗為零時，增益最大。諧振轉(zhuǎn)換器工作頻率范圍是由兩個特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關(guān)。驅(qū)動控制器設(shè)定MOSFET的開關(guān)頻率(fs)等于電路諧振頻率，以保證諧振的重要優(yōu)勢。

現(xiàn)在我們將看到，如何通過改變負(fù)載，使諧振頻率從最小值(fr2)變?yōu)樽畲笾?fr1)：

? ? ? ? ? ?

當(dāng)時，LLC就像一個串聯(lián)的RC諧振腔；這種功能出現(xiàn)在高負(fù)載條件下，即當(dāng)Lm與低阻抗并聯(lián)時；當(dāng)時，LLC類似于并聯(lián)RC諧振腔，這功能出現(xiàn)在低負(fù)載條件下。系統(tǒng)通常不在這個區(qū)域工作，因為可以在ZCS條件下運行。如果頻率fi在fr2

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，不難看出，圖形變化與Q值相關(guān)。

? ? ? ? ? ?

圖3

LLC諧振轉(zhuǎn)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(xiàn)在 fr2處。峰值增益對應(yīng)的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減?。S著負(fù)載減?。?，峰值增益頻率移向fr2，并且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加（負(fù)載增加），峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿載應(yīng)該是諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的最差工作條件。

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

? ? ? ? ? ?

圖4：LLC轉(zhuǎn)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(fù)電流區(qū)擺動。負(fù)電流值表示體二極管導(dǎo)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(dǎo)通期間開關(guān)，則發(fā)生ZVS開關(guān)，開關(guān)損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高系統(tǒng)能效。

如果MOSFET開關(guān)頻率fs小于fr1，功率器件上的電流的形狀會改變。事實上，如果持續(xù)時間足以在輸出二極管上產(chǎn)生不連續(xù)的電流，則原邊電流形狀會偏離正弦波形。

? ? ? ? ? ?

圖5：fs

此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當(dāng)，則諧振頻率fr也會受到器件的影響。正是由于這個原因，在設(shè)計過程中，選擇Cr值大于C1和C2，可以解決這個問題，使fr值不受所用器件的影響。

續(xù)流和ZVS條件

分析一下諧振頻率的方程式就會發(fā)現(xiàn)，在高于峰值增益頻率時，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，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(qū)工作時，體二極管在MOSFET開關(guān)期間執(zhí)行反向恢復(fù)操作。

當(dāng)系統(tǒng)在電容區(qū)工作時，MOSFET會面臨極大的潛在失效風(fēng)險。事實上，如圖6中的綠色圓圈所示，寄生體二極管的反向恢復(fù)時間變得非常重要（FR-MOS）。

? ? ? ? ? ?

圖6

根據(jù)這一點，在負(fù)載由低變高的過程中（圖7），驅(qū)動電路應(yīng)強(qiáng)制MOSFET進(jìn)入ZVS和正關(guān)斷電流區(qū)。如果無法保證，MOSFET的工作區(qū)可能很危險。

? ? ? ? ? ?

圖7

在低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件下，系統(tǒng)工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然后ZVS導(dǎo)通，并保證正關(guān)斷漏極電流。在負(fù)載變化（從低到高）后，開關(guān)頻率應(yīng)該變成新的諧振頻率。如果沒有發(fā)生這種情況（如圖8中綠線所示），則系統(tǒng)狀態(tài)經(jīng)過區(qū)域3（ZCS區(qū)域）和ZVS導(dǎo)通，正關(guān)斷漏極電流不會出現(xiàn)。因此，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電流也會流過寄生體二極管。

在增益圖上分析一下負(fù)載從低變高的過程，我們不難發(fā)現(xiàn)：

? ? ? ? ? ?

圖8

黑虛線代表負(fù)載變化期間的理想路徑，而綠虛線表示實際路徑。在負(fù)載從低變高的過程中，可以看到系統(tǒng)經(jīng)過ZCS區(qū)域，因此，寄生體二極管的性能變得非常重要。出于這個原因，新LLC設(shè)計的趨勢是使用體二極管恢復(fù)時間非常短的功率器件（FR-MOS）。

FR-MOS晶圓選型表