提高开关电源效率及可靠性之半桥谐振LLC+CoolMOS开关管

半桥

半桥(qiao)(qiao)谐振LLC+CoolMOS开(kai)关管(guan)？电(dian)路结(jie)(jie)构，半桥(qiao)(qiao)结(jie)(jie)构如(ru)图所示(shi)，它(ta)(ta)是(shi)(shi)两个(ge)功率(lv)开(kai)关器件(jian)（如(ru) MOS 管(guan)）以图腾柱的(de)形式相(xiang)连接，以中间(jian)点作(zuo)为输出(chu)，提供方波(bo)信号。这种结(jie)(jie)构在 PWM 电(dian)机(ji)控制、DC-AC逆(ni)变(bian)、电(dian)子镇流器等场合(he)有着广泛的(de)应用。半桥(qiao)(qiao)结(jie)(jie)构如(ru)图所示(shi)，它(ta)(ta)是(shi)(shi)两个(ge)功率(lv)开(kai)关器件(jian)（如(ru) MOS 管(guan)）以图腾柱的(de)形式相(xiang)连接，以中间(jian)点作(zuo)为输出(chu)，提供方波(bo)信号。

这种结(jie)构在 PWM 电机(ji)控制、DC-AC逆变(bian)(bian)、电子(zi)(zi)镇流器(qi)等场合有着广(guang)泛的(de)应用。上下两(liang)个(ge)管子(zi)(zi)由反相的(de)信号(hao)控制，当(dang)一(yi)(yi)(yi)个(ge)功率管开时(shi)(shi)，另(ling)(ling)一(yi)(yi)(yi)个(ge)关(guan)(guan)断，这样在输出点 OUT 就(jiu)得到电压从 0 到 VHV的(de)脉冲信号(hao)。由于(yu)开关(guan)(guan)延时(shi)(shi)的(de)存在，当(dang)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)(yi)(yi)个(ge)管子(zi)(zi)栅极信号(hao)变(bian)(bian)为低时(shi)(shi)，它并不会(hui)立刻关(guan)(guan)断，因此一(yi)(yi)(yi)个(ge)管子(zi)(zi)必须在另(ling)(ling)一(yi)(yi)(yi)个(ge)管子(zi)(zi)关(guan)(guan)断后(hou)一(yi)(yi)(yi)定时(shi)(shi)间方(fang)可开启(qi)，以防止同时(shi)(shi)开启(qi)造成的(de)电流穿(chuan)通，这个(ge)时(shi)(shi)间称为死区时(shi)(shi)间，如图(tu)中(zhong)Td所示。

下图为半桥电路结(jie)构(gou)及高低侧驱动信号，半(ban)(ban)桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)相(xiang)(xiang)较全桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)具有成本低、控制相(xiang)(xiang)对(dui)容易的优(you)势，但是(shi)由(you)于半(ban)(ban)桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)的变(bian)压(ya)器(qi)输入(ru)电(dian)压(ya)仅为(wei)约正负(1/2)Vin，相(xiang)(xiang)较全桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)当输入(ru)电(dian)压(ya)输出电(dian)压(ya)相(xiang)(xiang)同(tong)时，传递相(xiang)(xiang)同(tong)的功率半(ban)(ban)桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)原(yuan)边(bian)开关管(guan)承受的电(dian)流应力要(yao)比(bi)全桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)大得(de)多(duo)（约为(wei)两(liang)倍），半(ban)(ban)桥(qiao)(qiao)电(dian)路(lu)一般应用(yong)于中小功率（1KW以下(xia)）场(chang)合。

LLC与CoolMOS概述

近来，LLC拓(tuo)扑以(yi)其(qi)(qi)高(gao)效，高(gao)功率密度受到广大(da)电(dian)源(yuan)设(she)计工程(cheng)师(shi)的(de)(de)青睐，但是(shi)这种软开关拓(tuo)扑对MOSFET 的(de)(de)要求却超过(guo)了以(yi)往任何一种硬(ying)开关拓(tuo)扑。特别(bie)是(shi)在电(dian)源(yuan)启(qi)机，动态负(fu)载，过(guo)载，短路等(deng)情(qing)况(kuang)下。CoolMOS 以(yi)其(qi)(qi)快恢复体二极管 ，低(di)Qg 和Coss能够完(wan)全满足这些需求并大(da)大(da)提升电(dian)源(yuan)系统的(de)(de)可靠性。

长期以(yi)来， 提升(sheng)电源系统功率(lv)(lv)密度(du)，效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)以(yi)及系统的(de)可靠(kao)性一直是(shi)研发人(ren)员(yuan)面临(lin)的(de)重大(da)课题。提升(sheng)电源的(de)开(kai)关(guan)频率(lv)(lv)是(shi)其中的(de)方法之一， 但是(shi)频率(lv)(lv)的(de)提升(sheng)会影(ying)响到(dao)功率(lv)(lv)器件(jian)的(de)开(kai)关(guan)损(sun)耗，使得提升(sheng)频率(lv)(lv)对硬开(kai)关(guan)拓扑来说(shuo)效(xiao)(xiao)果并不(bu)十分明显，硬开(kai)关(guan)拓扑已经达到(dao)了它的(de)设计瓶颈(jing)。

而此时(shi)，软(ruan)开(kai)关拓扑(pu)，如LLC拓扑(pu)以其(qi)独(du)具的特点(dian)受到(dao)广大设计工程(cheng)师的追捧(peng)。但是这(zhei)种拓扑(pu)却对功率器件提出了新的要求。

LLC 电路的特点

LLC 拓(tuo)扑的以下特点使其广泛的应用于各种开关电源之中(zhong)：

1. LLC 转换(huan)器可以(yi)在宽负载范围内实现(xian)零电压开(kai)关。

2. 能够在输入电压和负载(zai)大范(fan)围变化(hua)的情况下调节输出(chu)，同时开(kai)关频率变化(hua)相(xiang)对很小。

3. 采用频率控(kong)制，上下管(guan)的占空(kong)比都为50%.

4. 减(jian)小次级同步整流MOSFET的电(dian)压(ya)应(ying)力 ，可以(yi)采用更低的电(dian)压(ya)MOSFET从而减(jian)少成本。

5. 无需输(shu)出电感(gan) ，可以进(jin)一步降低系统成本(ben)。

6. 采用(yong)更低(di)电(dian)压的同步整流(liu)MOSFET, 可以进一步提升效率(lv)。

LLC 电路的基本结构以及工作原理

图(tu)1和图(tu)2分别给出(chu)了LLC谐(xie)振变换器的(de)典型线(xian)路和工作波形。如图(tu)1所示LLC转换器包括两(liang)个功率MOSFET（Q1和Q2），其(qi)占空比都(dou)为(wei)0.5;谐(xie)振电(dian)(dian)容 Cr,副边(bian)匝数相等的(de)中心抽(chou)头变压器Tr,等效电(dian)(dian)感Lr,励磁电(dian)(dian)感Lm,全波整流二极管D1和D2以(yi)及(ji)输出(chu)电(dian)(dian)容Co。

图1 LLC谐(xie)振变换(huan)器的典型线路(lu)

图2 LLC谐振变换(huan)器(qi)的工作波形

而(er)LLC有两个谐振(zhen)频(pin)(pin)率(lv)，Cr, Lr 决(jue)定(ding)谐振(zhen)频(pin)(pin)率(lv)fr1; 而(er)Lm, Lr, Cr决(jue)定(ding)谐振(zhen)频(pin)(pin)率(lv)fr2。

系(xi)统的(de)负(fu)(fu)载(zai)变化(hua)时(shi)会造成系(xi)统工作频(pin)率的(de)变化(hua)，当负(fu)(fu)载(zai)增(zeng)加时(shi)， MOSFET开关(guan)频(pin)率减(jian)小， 当负(fu)(fu)载(zai)减(jian)小时(shi)，开关(guan)频(pin)率增(zeng)大。

1、LLC谐振变换器的工作时序

LLC变换器的稳(wen)态工作原理如下。

1）〔t1,t2〕

Q1关(guan)断(duan)(duan)，Q2开(kai)通(tong)，电感(gan)Lr和Cr进行谐振，次级(ji)D1关(guan)断(duan)(duan)，D2开(kai)通(tong)，二(er)极管D1约(yue)为两倍输出(chu)电压，此(ci)时(shi)能(neng)量(liang)从(cong)Cr, Lr转换至次级(ji)。直到Q2关(guan)断(duan)(duan)。

2）〔t2,t3〕

Q1和Q2同时(shi)(shi)关断，此时(shi)(shi)处于死区时(shi)(shi)间， 此时(shi)(shi)电(dian)(dian)感Lr, Lm电(dian)(dian)流(liu) 给Q2的输出电(dian)(dian)容充电(dian)(dian)，给Q1的输出电(dian)(dian)容放电(dian)(dian)直到Q2输出电(dian)(dian)容的电(dian)(dian)压等于Vin.

次(ci)级D1和D2关断 Vd1=Vd2=0, 当Q1开通时该相位结束。

3）〔t3,t4〕

Q1导通，Q2关断。D1导通， D2关断， 此时Vd2=2Vout

Cr和Lr谐振(zhen)在(zai)fr1, 此时Ls的(de)电(dian)流通过Q1返回(hui)到(dao)Vin,直到(dao)Lr的(de)电(dian)流为(wei)零(ling)次相位(wei)结束。

4）〔t4,t5〕

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

Cr和Lr谐振(zhen)在fr1, Lr的电流反(fan)向通过(guo)Q1流回功率地。能量从(cong)输入转换(huan)到次级，直到Q1关断该相位结束(shu)

5）〔t5,t6）

Q1,Q2同(tong)时(shi)关断， D1,D2关断， 原边电流(liu)I（Lr+Lm）给(ji)Q1的(de)Coss充电， 给(ji)Coss2放电， 直到Q2的(de)Coss电压为零。此时(shi)Q2二(er)极管开始导通。Q2开通时(shi)相位结束(shu)。

6）〔t6,t7〕

Q1关断(duan)，Q2导通(tong)，D1关断(duan)， D2 开(kai)通(tong)，Cr和Ls谐振(zhen)在(zai)频率fr1, Lr 电(dian)流经Q2回(hui)到(dao)地。当Lr电(dian)流为零时相(xiang)位结束。

2、LLC谐振转换器异常状态分析

以(yi)上描(miao)述都是LLC工(gong)作在谐振模(mo)式， 接下来我们分析(xi)LLC转(zhuan)换器在启机(ji)， 短(duan)路(lu)， 动态负载下的工(gong)作情况(kuang)。

A、启机状态分析

通过LLC仿真(zhen)我们(men)得到如图3所示的(de)波形，在启机(ji)第(di)一个开关周期，上下管(guan)(guan)会同时出现(xian)一个短暂的(de)峰(feng)值电(dian)流Ids1和Ids2。由于(yu)(yu)MOSFET Q1开通时会给下管(guan)(guan)Q2的(de)输(shu)出电(dian)容Coss充(chong)电(dian)，当(dang)Vds为高电(dian)平时充(chong)电(dian)结束。而峰(feng)值电(dian)流Ids1和Ids2也正(zheng)是(shi)由于(yu)(yu)Vin通过MOSFET Q1给Q2结电(dian)容Coss的(de)充(chong)电(dian)而产(chan)生(sheng)。

图3 LLC 仿(fang)真波形(xing)

我(wo)们(men)将焦点放在第二个(ge)开(kai)关周期时(shi)如(ru)图4,我(wo)们(men)发现(xian)此(ci)时(shi)也会出(chu)现(xian)跟第一(yi)个(ge)开(kai)关周期类似的(de)尖峰(feng)电(dian)(dian)流，而且峰(feng)值会更高(gao)，同时(shi)MOSFET Q2 Vds也出(chu)现(xian)一(yi)个(ge)很(hen)高(gao)的(de)dv/dt峰(feng)值电(dian)(dian)压。那(nei)么这个(ge)峰(feng)值电(dian)(dian)流的(de)是否仍然是Coss引(yin)起的(de)呢？我(wo)们(men)来做进一(yi)步的(de)研究。

图4 第二(er)个开关周期波(bo)形(xing)图

对MOSFET结构有一(yi)定了解的(de)工(gong)程师都(dou)知道，MOSFET不同于IGBT,在(zai)MOSFET内部其实寄生有一(yi)个(ge)体二(er)(er)极管，跟普(pu)通二(er)(er)极管一(yi)样在(zai)截止过程中(zhong)都(dou)需(xu)(xu)要(yao)中(zhong)和(he)载流子(zi)才能反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)， 而只有二(er)(er)极管两端加上反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)电(dian)压才能够使这(zhei)个(ge)反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)快速(su)完成，而反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)所需(xu)(xu)的(de)能量跟二(er)(er)极管的(de)电(dian)荷量Qrr相关(guan)，而体二(er)(er)极管的(de)反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)同样需(xu)(xu)要(yao)在(zai)体二(er)(er)极管两端加上一(yi)个(ge)反向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)电(dian)压。

在(zai)启机时(shi)加在(zai)二极管两(liang)端(duan)的(de)电压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在(zai)启机时(shi)几(ji)乎为零(ling)，而二极管在(zai)Vd较低时(shi)需要很长的(de)时(shi)间(jian)来进(jin)行反向恢复(fu)。如果死区时(shi)间(jian)设置不够，如图5所示(shi)高的(de)dv/dt会(hui)直接触发MOSFET内的(de)BJT从(cong)而击穿 MOSFET。

图5 高(gao)的dv/dt会直接触(chu)发MOSFET内的BJT从而击(ji)穿 MOSFET

通(tong)过实际的(de)(de)测试 ，我们可以重复到类(lei)似的(de)(de)波形，第二个开关周(zhou)(zhou)期(qi)产生远比(bi)第一个开关周(zhou)(zhou)期(qi)高的(de)(de)峰值电流，同时当MOSFET在(zai)(zai)启机(ji)的(de)(de)时dv/dt高118.4V/ns. 而Vds电压更是超(chao)出了600V的(de)(de)最(zui)大值。MOSFET在(zai)(zai)启机(ji)时存在(zai)(zai)风险。

图6 实际测试的波形

B、异常(chang)状态分析

下面我们(men)继续分(fen)析(xi)在负载剧(ju)烈变化时，对LLC拓(tuo)扑来说(shuo)存在那些潜在的(de)风险。

在负载(zai)剧(ju)烈(lie)变化时，如短路，动态负载(zai)等状态时，LLC电路的关键器件MOSFET同(tong)样也(ye)面临着挑战。

通(tong)常负载变化时LLC 都(dou)会经(jing)历(li)以下3个状态。我们(men)(men)称之为硬关断， 而右图中我们(men)(men)可以比较在这3个时序当中，传(chuan)统(tong)MOSFET和CoolMOS内部载流子变化的(de)不同(tong)， 以及对MOSFET带来(lai)的(de)风险(xian)。

时序1, Q2零电(dian)压开通(tong)，反向电(dian)流(liu)经过MOSFET和体二极管(guan)， 此时次级二极管(guan)D2开通(tong)，D1关段。

传统MOSFET此时电子电流经沟(gou)道区，从(cong)而减少空穴数量。

CoolMOS此时同(tong)传统MOSFET一样电子电流经沟道，穴(xue)减(jian)少，不(bu)同(tong)的(de)(de)是(shi)此时CoolMOS 的(de)(de)P井(jing)结(jie)构开始(shi)建立。

时序2, Q1和Q2同时关断(duan)，反向(xiang)电流(liu)经过MOSFETQ2体二极管。

Q1和(he)(he)(he)Q2关断时对于传统MOSFET和(he)(he)(he)CoolMOS来说内部电(dian)子和(he)(he)(he)空穴路径和(he)(he)(he)流向并(bing)没有太大(da)的区别。

时(shi)序(xu)3, Q1此时(shi)开(kai)始导通，由于负载(zai)的(de)(de)变化，此时(shi)MOSFET Q2的(de)(de)体二极(ji)管需(xu)要很长(zhang)的(de)(de)时(shi)间来反(fan)向(xiang)恢复(fu)。当二极(ji)管反(fan)向(xiang)恢复(fu)没有(you)完成时(shi)MOSFET Q2出现(xian)硬(ying)关断，此时(shi)Q1开(kai)通，加(jia)在(zai)Q2体二极(ji)管上(shang)的(de)(de)电压会在(zai)二极(ji)管形成一个大(da)电流从而触发MOSFET内部的(de)(de)BJT造成雪崩。

-传统MOSFET此(ci)时载流(liu)子抽出，此(ci)时电子聚集在PN节(jie)周围， 空穴(xue)电流(liu)拥堵在PN节(jie)边缘。

-CoolMOS的电(dian)子电(dian)流(liu)(liu)和空穴电(dian)流(liu)(liu)各行其道， 此(ci)时空穴电(dian)流(liu)(liu)在已建(jian)立好的P井结(jie)构中流(liu)(liu)动(dong)，并无电(dian)子拥堵现象。

综上， 当LLC电(dian)路出现过载，短(duan)路，动态负载等(deng)条件下，一旦(dan)二极管在(zai)死区时(shi)间不(bu)能(neng)及(ji)时(shi)反(fan)向恢复， 产生的(de)巨大的(de)复合电(dian)流会触发MOSFET内部的(de)BJT使MOSFET失效。有(you)的(de) CoolMOS采用(yong)Super Juction结构，这种结构在MOSFET硬关(guan)断的(de)状(zhuang)态(tai)下(xia)，载流子会(hui)沿垂(chui)直构建的(de)P井中复合， 基本上(shang)没有(you)侧向电流， 大大减少(shao)触(chu)发BJT的(de)机(ji)会(hui)。

如何更容易实现ZVS

通过以上的(de)(de)分(fen)析，可(ke)以看到增加(jia)MOSFET的(de)(de)死区时(shi)(shi)间，可(ke)以提(ti)供足(zu)够(gou)的(de)(de)二(er)极管反向恢复时(shi)(shi)间同时(shi)(shi)降低(di)高(gao)dv/dt, di/dt 对(dui)LLC电路(lu)造成的(de)(de)风(feng)险。但是增加(jia)死区时(shi)(shi)间是唯一的(de)(de)选(xuan)择么(me)？下面(mian)我(wo)们(men)进(jin)一步分(fen)析如何够(gou)降低(di)风(feng)险提(ti)升系统效率(lv)。

对于LLC 电路来(lai)说死区时间的初始电流为

而LLC能够实(shi)现(xian)ZVS必须满足(zu)

而(er)最小励磁电感为

根(gen)据以上(shang)3个等式，我们可以通过(guo)以下三种(zhong)方式让LLC实(shi)现ZVS。

第一， 增加Ipk。

第(di)二， 增加死区时间。

第三， 减(jian)小等(deng)效电容Ceq即Coss。

从以上(shang)几种状况(kuang)，我们不难(nan)分析(xi)出。增加Ipk会增加电(dian)感尺寸以及成本，增加死区时(shi)间会降低(di)正常工作时(shi)的电(dian)压，而最好的选择无疑是减小Coss,因为减小无须对电(dian)路做任何(he)调整，只(zhi)需要换上(shang)一(yi)个Coss相对较小MOSFET即(ji)可。  

总结

LLC 拓扑(pu)广泛的(de)应(ying)用于各种开关(guan)电(dian)(dian)源当中，而这种拓扑(pu)在提(ti)升效(xiao)率(lv)(lv)的(de)同(tong)时也对MOSFET提(ti)出了新的(de)要求。不(bu)同(tong)于硬开关(guan)拓扑(pu)，软(ruan)开关(guan)LLC谐振(zhen)拓扑(pu)不(bu)仅(jin)仅(jin)对MOSFET的(de)导通电(dian)(dian)阻（导通损耗）、Qg（开关(guan)损耗）有要求，同(tong)时对于如何(he)能够有效(xiao)的(de)实现软(ruan)开关(guan)，如何(he)降(jiang)(jiang)低(di)失效(xiao)率(lv)(lv)，提(ti)升系(xi)统(tong)可靠(kao)性，降(jiang)(jiang)低(di)系(xi)统(tong)的(de)成本有更高的(de)要求。CoolMOS，具有快速的(de)体二极管，低(di)Coss,有的(de)可高达650V的(de)击穿电(dian)(dian)压，使(shi)LLC拓扑(pu)开关(guan)电(dian)(dian)源具有更高的(de)效(xiao)率(lv)(lv)和可靠(kao)性。

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