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半桥谐振LLC+CoolMOS开关端电路工作原理解析

半桥

电路结构，半桥结构如图所示，它是两个功率开(kai)关(guan)器件（如 MOS 管）以图腾柱的(de)形(xing)式相连接，以中间点作为输出，提供方波(bo)信号(hao)。这种结构在 PWM 电机(ji)控制、DC-AC逆(ni)变、电子镇流器等(deng)场(chang)合有着广(guang)泛(fan)的(de)应用(yong)。

半(ban)桥结构如图所(suo)示(shi)，它是两(liang)个(ge)功率开关器件(jian)（如 MOS 管(guan)）以(yi)图腾柱(zhu)的(de)形式(shi)相连接，以(yi)中间点作为输出，提供方波信号。

这种结构在(zai)(zai) PWM 电机控制、DC-AC逆变、电子(zi)(zi)镇流器等场合有着广泛的(de)应(ying)用(yong)。上下两(liang)个(ge)(ge)管(guan)(guan)子(zi)(zi)由反相的(de)信(xin)号(hao)控制，当(dang)一(yi)个(ge)(ge)功(gong)率管(guan)(guan)开时(shi)，另(ling)一(yi)个(ge)(ge)关(guan)(guan)断(duan)，这样(yang)在(zai)(zai)输出点 OUT 就得(de)到(dao)电压(ya)从 0 到(dao) VHV的(de)脉冲信(xin)号(hao)。由于开关(guan)(guan)延时(shi)的(de)存在(zai)(zai)，当(dang)其中的(de)一(yi)个(ge)(ge)管(guan)(guan)子(zi)(zi)栅极信(xin)号(hao)变为低(di)时(shi)，它并(bing)不会立(li)刻关(guan)(guan)断(duan)，因此一(yi)个(ge)(ge)管(guan)(guan)子(zi)(zi)必须在(zai)(zai)另(ling)一(yi)个(ge)(ge)管(guan)(guan)子(zi)(zi)关(guan)(guan)断(duan)后一(yi)定(ding)时(shi)间方可开启，以(yi)防止(zhi)同时(shi)开启造成的(de)电流穿通，这个(ge)(ge)时(shi)间称为死区时(shi)间，如图中Td所示。

下图(tu)为半桥电路结构及高低侧驱动信号(hao)

半桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)相(xiang)(xiang)较全桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)具有成(cheng)本低、控(kong)制相(xiang)(xiang)对容易的优(you)势(shi)，但是由于(yu)半桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的变(bian)压器(qi)输入电(dian)(dian)(dian)(dian)压仅为约(yue)正(zheng)负(1/2)Vin，相(xiang)(xiang)较全桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)当(dang)输入电(dian)(dian)(dian)(dian)压输出电(dian)(dian)(dian)(dian)压相(xiang)(xiang)同时，传递相(xiang)(xiang)同的功(gong)率半桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)原边开关(guan)管承受(shou)的电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)应(ying)力要比全桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大得多（约(yue)为两倍），半桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)一般应(ying)用于(yu)中小功(gong)率（1KW以下(xia)）场合。

半桥谐振开关端电路工作原理

近来， 半桥(qiao)谐(xie)振(zhen)拓扑(pu)以其高(gao)效，高(gao)功(gong)率(lv)密度受到广大电源设(she)计工(gong)程(cheng)师的(de)青(qing)睐，但(dan)是(shi)这种软(ruan)开关拓扑(pu)对MOSFET的(de)要(yao)求却超过了以往任何一种硬开关拓扑(pu)。特别是(shi)在电源启(qi)机，动态(tai)负载，过载，短路等情(qing)况(kuang)下。CoolMOS 以其快恢复体二极管，低Qg 和Coss能(neng)够完(wan)全满(man)足这些需求并大大提(ti)升电源系统的(de)可靠性。

长(zhang)期以(yi)来(lai)， 提升电(dian)源(yuan)系统(tong)功率(lv)(lv)密(mi)度，效率(lv)(lv)以(yi)及系统(tong)的(de)(de)可靠性(xing)一(yi)(yi)直是(shi)(shi)研发人员(yuan)面临的(de)(de)重大课题(ti)。 提升电(dian)源(yuan)的(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)频(pin)(pin)率(lv)(lv)是(shi)(shi)其中的(de)(de)方法之一(yi)(yi)， 但是(shi)(shi)频(pin)(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)提升会影响(xiang)到功率(lv)(lv)器件的(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)损耗，使得提升频(pin)(pin)率(lv)(lv)对硬开(kai)(kai)关(guan)拓(tuo)扑(pu)来(lai)说(shuo)效果并不十(shi)分明(ming)显，硬开(kai)(kai)关(guan)拓(tuo)扑(pu)已经(jing)达到了(le)它的(de)(de)设计瓶颈。而此时，软(ruan)开(kai)(kai)关(guan)拓(tuo)扑(pu)，如LLC拓(tuo)扑(pu)以(yi)其独具的(de)(de)特点受到广(guang)大设计工(gong)程师(shi)的(de)(de)追(zhui)捧。但是(shi)(shi)… 这种拓(tuo)扑(pu)却(que)对功率(lv)(lv)器件提出了(le)新的(de)(de)要求。

LLC 电路的特点

半(ban)桥(qiao)谐振拓(tuo)扑的以下特点使其广泛的应(ying)用于各种开关电源之中：

1. LLC 转换器可以在(zai)宽负载(zai)范围内实现(xian)零电(dian)压开(kai)关(guan)。

2. 能够在(zai)输入电压和(he)负载大(da)范围变化的情况下(xia)调节输出，同时开(kai)关频率变化相对很小。

3. 采用(yong)频(pin)率控(kong)制，上下管的占空比都(dou)为50%.

4. 减(jian)小次级同步整流MOSFET 的(de)电压应力，可以采用更低的(de)电压MOSFET从而减(jian)少成本(ben)。

5. 无需(xu)输出电感，可以(yi)进(jin)一步降低系统成本。

6. 采(cai)用更低电压的(de)同步整流MOSFET, 可以进一步提(ti)升(sheng)效率。

半桥谐振电路的基本结构以及工作原理

图(tu)1和图(tu)2分别给出了LLC谐振变换(huan)器(qi)的典型线路和工(gong)作波(bo)形。如图(tu)1所示(shi)LLC转换(huan)器(qi)包括两个功率MOSFET（Q1和Q2），其占(zhan)空(kong)比都为0.5;谐振电(dian)容(rong)Cr,副边匝(za)数(shu)相等的中心抽头变压器(qi)Tr,等效电(dian)感(gan)Lr,励磁电(dian)感(gan)Lm,全(quan)波(bo)整流(liu)二极管(guan)D1和D2以及输(shu)出电(dian)容(rong)Co。

图1 LLC谐振变(bian)换器的典型线路

图(tu)2 LLC谐振变换器(qi)的工作波形

而LLC有两(liang)个谐(xie)振(zhen)频(pin)率，Cr, Lr 决定谐(xie)振(zhen)频(pin)率fr1; 而Lm, Lr, Cr决定谐(xie)振(zhen)频(pin)率fr2。

系(xi)统(tong)的(de)(de)负载(zai)(zai)变(bian)化(hua)时(shi)会造成系(xi)统(tong)工作频率的(de)(de)变(bian)化(hua)，当负载(zai)(zai)增加时(shi)， MOSFET开关频率减(jian)小， 当负载(zai)(zai)减(jian)小时(shi)，开关频率增大。

LLC谐振变换器的工作时序

LLC变换器的(de)稳态工作原理(li)如下。

1）〔t1,t2〕

Q1关(guan)(guan)(guan)断(duan)，Q2开(kai)通，电(dian)(dian)感Lr和(he)Cr进行(xing)谐(xie)振，次级D1关(guan)(guan)(guan)断(duan)，D2开(kai)通，二极管D1约为两倍(bei)输出(chu)电(dian)(dian)压，此(ci)时能(neng)量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关(guan)(guan)(guan)断(duan)。

2）〔t2,t3〕

Q1和(he)Q2同时(shi)(shi)关断，此时(shi)(shi)处于死(si)区时(shi)(shi)间(jian)， 此时(shi)(shi)电(dian)感Lr, Lm电(dian)流给Q2的(de)输出(chu)(chu)电(dian)容充电(dian)，给Q1的(de)输出(chu)(chu)电(dian)容放电(dian)直到Q2输出(chu)(chu)电(dian)容的(de)电(dian)压等于Vin。次(ci)级D1和D2关(guan)断 Vd1=Vd2=0, 当Q1开通时该相位结束。

3）〔t3,t4〕

Q1导通，Q2关(guan)断。D1导通， D2关(guan)断， 此时Vd2=2Vout

Cr和Lr谐振在fr1, 此时Ls的(de)电流通过(guo)Q1返回到Vin,直(zhi)到Lr的(de)电流为零次相位结束(shu)。

4）〔t4,t5〕

Q1导通， Q2关(guan)断， D1导通， D2关(guan)断，Vd2=2Vout

Cr和(he)Lr谐(xie)振(zhen)在fr1, Lr的电(dian)流反向通过Q1流回功(gong)率地。 能(neng)量从(cong)输入(ru)转(zhuan)换(huan)到(dao)次级，直(zhi)到(dao)Q1关断该(gai)相位结束

5）〔t5,t6）

Q1,Q2同(tong)时关(guan)断， D1,D2关(guan)断， 原边电(dian)流I（Lr+Lm）给Q1的(de)Coss充电(dian)， 给Coss2放(fang)电(dian)， 直到Q2的(de)Coss电(dian)压(ya)为零。 此时Q2二极管开始导通。 Q2开通时相位结束。

6）〔t6,t7〕

Q1关(guan)断(duan)，Q2导通(tong)，D1关(guan)断(duan)， D2 开(kai)通(tong)，Cr和Ls谐振在频率fr1, Lr 电流经(jing)Q2回到地(di)。 当Lr电流为(wei)零时相位结束。

 

半桥谐振转换器异常状态分析

以上描述都是LLC工(gong)作在(zai)谐振模式， 接下来我们分析LLC转换器在(zai)启机， 短路， 动态负载下的工(gong)作情况。

启机状态分析

通(tong)过(guo)(guo)LLC 仿真(zhen)我们(men)得到如图3所示的(de)波形，在启机第(di)一个开关周(zhou)期，上下管(guan)会同时出现一个短暂的(de)峰值电(dian)流Ids1 和(he)Ids2. 由于(yu)MOSFET Q1开通(tong)时会给(ji)下管(guan)Q2的(de)输(shu)出电(dian)容Coss充(chong)电(dian)，当Vds为高(gao)电(dian)平时充(chong)电(dian)结束。而峰值电(dian)流Ids1和(he)Ids2也正(zheng)是由于(yu)Vin通(tong)过(guo)(guo)MOSFET Q1 给(ji)Q2 结电(dian)容Coss的(de)充(chong)电(dian)而产生。

我(wo)们(men)(men)将焦点放在第二个(ge)开(kai)关(guan)(guan)周期时如图4,我(wo)们(men)(men)发现此时也会出现跟第一个(ge)开(kai)关(guan)(guan)周期类似(si)的尖峰(feng)电(dian)流，而且峰(feng)值(zhi)会更(geng)高，同时MOSFET Q2 Vds也出现一个(ge)很高的dv/dt峰(feng)值(zhi)电(dian)压。那么(me)这个(ge)峰(feng)值(zhi)电(dian)流的是(shi)否仍然是(shi)Coss引起的呢？ 我(wo)们(men)(men)来(lai)做进一步(bu)的研(yan)究。

图4 第二(er)个开关周期波形图

对MOSFET结构有一(yi)定了(le)解的(de)(de)(de)工程(cheng)师都知(zhi)道，MOSFET不同(tong)于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一(yi)个(ge)体(ti)二(er)极(ji)(ji)管，跟(gen)普通(tong)二(er)极(ji)(ji)管一(yi)样在截止过程(cheng)中都需要中和载流子才(cai)能(neng)反向(xiang)恢复(fu)， 而只有二(er)极(ji)(ji)管两端加上(shang)反向(xiang)电压才(cai)能(neng)够使这个(ge)反向(xiang)恢复(fu)快速完成， 而反向(xiang)恢复(fu)所需的(de)(de)(de)能(neng)量跟(gen)二(er)极(ji)(ji)管的(de)(de)(de)电荷(he)量Qrr相关， 而体(ti)二(er)极(ji)(ji)管的(de)(de)(de)反向(xiang)恢复(fu)同(tong)样需要在体(ti)二(er)极(ji)(ji)管两端加上(shang)一(yi)个(ge)反向(xiang)电压。

在(zai)(zai)(zai)启机(ji)时(shi)加(jia)在(zai)(zai)(zai)二(er)极(ji)管两端的电(dian)压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在(zai)(zai)(zai)启机(ji)时(shi)几乎(hu)为零，而二(er)极(ji)管在(zai)(zai)(zai)Vd较低(di)时(shi)需要很(hen)长的时(shi)间来进行反向恢(hui)复。如果死(si)区时(shi)间设置不够，如图5所示(shi)高的dv/dt会(hui)直接触发MOSFET内的BJT从而击穿MOSFET.

通(tong)过实际的测试，我(wo)们可以重复到类似的波形，第(di)二个开(kai)关周期产生远(yuan)比(bi)第(di)一个开(kai)关周期高的峰值电流，同时当MOSFET在(zai)启(qi)机的时dv/dt高118.4V/ns. 而(er)Vds电压更是超出了(le)600V的最大(da)值。MOSFET在(zai)启(qi)机时存(cun)在(zai)风险。

异常状态分析

下面我们继续(xu)分析在负载剧烈(lie)变化时(shi)，对LLC拓扑来(lai)说(shuo)存在那些(xie)潜在的风险(xian)。

在(zai)负(fu)载剧烈变(bian)化(hua)时，如(ru)短路(lu)，动态负(fu)载等(deng)状态时，LLC电路(lu)的关(guan)键器件MOSFET同样(yang)也面临着挑(tiao)战。

通(tong)常负载(zai)变化时(shi)LLC 都(dou)会经历以(yi)下3个(ge)状态。我们称之为硬关断(duan)， 而右图中我们可以(yi)比较在这3个(ge)时(shi)序(xu)当中，传统MOSFET和(he)CoolMOS内(nei)部载(zai)流子变化的不同(tong)， 以(yi)及(ji)对MOSFET带来的风险。

时序1, Q2零电压开(kai)通，反向电流经过MOSFET和体二极管， 此时次级二极管D2开(kai)通，D1关段(duan)。

-传统MOSFET此时电(dian)子电(dian)流经沟道(dao)区，从而减少空穴数量(liang)

-CoolMOS此时同传(chuan)统MOSFET一(yi)样电子电流经沟(gou)道，穴减少，不同的(de)是此时CoolMOS 的(de)P井结(jie)构开始建立。

时序2, Q1和Q2同时关(guan)断，反向电流经过MOSFETQ2体(ti)二极管。

Q1和Q2关断时对于传统MOSFET和CoolMOS来(lai)说内部电子和空穴路径(jing)和流向并(bing)没(mei)有太大的区别(bie)。

时(shi)(shi)序3, Q1此时(shi)(shi)开始(shi)导(dao)通，由于(yu)负载的(de)(de)变化， 此时(shi)(shi)MOSFET Q2的(de)(de)体二(er)极管(guan)需要很长的(de)(de)时(shi)(shi)间来反向恢复。当二(er)极管(guan)反向恢复没(mei)有完(wan)成时(shi)(shi)MOSFET Q2出现硬关(guan)断， 此时(shi)(shi)Q1开通，加在Q2体二(er)极管(guan)上的(de)(de)电压会在二(er)极管(guan)形成一个大电流从而触发(fa)MOSFET内部的(de)(de)BJT造(zao)成雪崩。

-传统MOSFET此(ci)时(shi)(shi)载(zai)流子抽出，此(ci)时(shi)(shi)电子聚(ju)集在PN节(jie)周围， 空穴电流拥(yong)堵在PN节(jie)边缘。

-CoolMOS的电(dian)子电(dian)流(liu)(liu)和(he)空(kong)穴电(dian)流(liu)(liu)各(ge)行其道， 此时(shi)空(kong)穴电(dian)流(liu)(liu)在(zai)已(yi)建立(li)好的P井(jing)结构中流(liu)(liu)动，并无(wu)电(dian)子拥堵现象。

综上， 当LLC电(dian)路出现(xian)过载(zai)，短路，动(dong)态负载(zai)等(deng)条件下， 一旦二(er)极(ji)管在死区时间不能及(ji)时反向恢复， 产生的巨(ju)大(da)的复合电(dian)流会触(chu)发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。

有的 CoolMOS采用Super Juction结构， 这种结构在(zai)MOSFET硬关断的状态下(xia)， 载流(liu)子会(hui)沿垂(chui)直构建的P井中复合， 基本上没有侧(ce)向电流(liu)， 大(da)大(da)减少(shao)触发BJT的机会(hui)。

如何更容易实现ZVS

通过以上(shang)的分析(xi)，可以看到增加MOSFET的死区时间，可以提供足够(gou)(gou)的二(er)极管反向恢复时间同时降(jiang)低高dv/dt, di/dt 对(dui)LLC电路造成的风险。但是增加死区时间是唯一的选(xuan)择么(me)？下面(mian)我(wo)们(men)进一步(bu)分析(xi)如何够(gou)(gou)降(jiang)低风险提升(sheng)系统效率。

对(dui)于LLC 电路来(lai)说(shuo)死区时间(jian)的(de)初始电流为

而(er)LLC能够实现(xian)ZVS必(bi)须满足

而最(zui)小励(li)磁(ci)电感为

根(gen)据以(yi)(yi)上3个等式(shi)，我(wo)们(men)可以(yi)(yi)通过以(yi)(yi)下三(san)种方式(shi)让LLC实现(xian)ZVS.

第一， 增(zeng)加Ipk.

第二， 增(zeng)加死区(qu)时间。

第三， 减小等效电容Ceq即Coss.

从(cong)以上(shang)(shang)几种状况，我们不难分析出(chu)。增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)Ipk会(hui)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)电感尺寸以及成本，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)死区时间会(hui)降低正常工(gong)作(zuo)时的电压，而最好的选择无疑是减小(xiao)Coss,因为减小(xiao)无须(xu)对电路做任何调整，只需要换上(shang)(shang)一个Coss相对较小(xiao)MOSFET即(ji)可。

 结论

LLC 拓扑(pu)广泛的(de)应用于各种(zhong)开(kai)关(guan)(guan)电源(yuan)当(dang)中，而这种(zhong)拓扑(pu)在(zai)提(ti)升效(xiao)(xiao)(xiao)率的(de)同时(shi)也对MOSFET提(ti)出(chu)了新的(de)要(yao)求。不(bu)同于硬开(kai)关(guan)(guan)拓扑(pu)，软开(kai)关(guan)(guan)LLC谐振拓扑(pu)，不(bu)仅仅对MOSFET的(de)导通电阻（导通损耗(hao)），Qg（开(kai)关(guan)(guan)损耗(hao)）有(you)要(yao)求，同时(shi)对于如何能够有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)的(de)实现软开(kai)关(guan)(guan)，如何降(jiang)低(di)(di)失效(xiao)(xiao)(xiao)率，提(ti)升系统可(ke)(ke)靠(kao)性，降(jiang)低(di)(di)系统的(de)成本有(you)更高(gao)的(de)要(yao)求。CoolMOS，具有(you)快速的(de)体(ti)二极管，低(di)(di)Coss,有(you)的(de)可(ke)(ke)高(gao)达650V的(de)击穿(chuan)电压，使LLC拓扑(pu)开(kai)关(guan)(guan)电源(yuan)具有(you)更高(gao)的(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率和可(ke)(ke)靠(kao)性。

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