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提升开关电源效率和可靠性的方法

2019年01月10日 15:01:40来源:深圳市三一精工科技有限公司关键词:开关电源
  近来, LLC拓扑以其高效,高功率密度遭到广阔电源规划工程师的喜爱,可是这种软开关拓扑对MOSFET的要求却超过了以往任何一种硬开关拓扑。特别是在电源启机,动态负载,过载,短路等情况下。CoolMOS 以其快康复体二极管,低Qg 和Coss能够彻底满足这些需求并大大提高电源体系的可靠性。
 
  长期以来, 提高电源体系功率密度,功率以及体系的可靠性一直是研发人员面临的严重课题。 提高电源的开关频率是其间的办法之一, 可是频率的提高会影响到功率器材的开关损耗,使得提高频率对硬开关拓扑来说作用并不非常显着,硬开关拓扑现已达到了它的规划瓶颈。而此刻,软开关拓扑,如LLC拓扑以其独具的特色遭到广阔规划工程师的追捧。可是… 这种拓扑却对功率器材提出了新的要求。
 
  2. LLC 电路的特色
 
  LLC 拓扑的以下特色使其广泛的应用于各种开关电源之中:
 
  1. LLC 转换器能够在宽负载范围内完成零电压开关。
 
  2. 能够在输入电压和负载大范围改变的情况下调理输出,一起开关频率改变相对很小。
 
  3. 采用频率控制,上下管的占空比都为50%.
 
  4. 减小次级同步整流MOSFET的电压应力,能够采用更低的电压MOSFET然后削减本钱。
 
  5. 无需输出电感,能够进一步下降体系本钱。
 
  6. 采用更低电压的同步整流MOSFET, 能够进一步提高功率。
 
  3. LLC 电路的基本结构以及作业原理
 
  图1和图2分别给出了LLC谐振变换器的典型线路和作业波形。如图1所示LLC转换器包括两个功率MOSFET(Q1和Q2),其占空比都为0.5;谐振电容Cr,副边匝数相等的中心抽头变压器Tr,等效电感Lr,励磁电感Lm,全波整流二极管D1和D2以及输出电容Co。
 

开关电源

  图1 LLC谐振变换器的典型线路
 

开关电源

  图2 LLC谐振变换器的作业波形
 
  而LLC有两个谐振频率,Cr, Lr 决议谐振频率fr1; 而Lm, Lr, Cr决议谐振频率fr2。
 
  体系的负载改变时会形成体系作业频率的改变,当负载添加时, MOSFET开关频率减小, 当负载减小时,开关频率增大。
 

开关电源

  3.1 LLC谐振变换器的作业时序
 
  LLC变换器的稳态作业原理如下。
 
  1)〔t1,t2〕
 
  Q1关断,Q2注册,电感Lr和Cr进行谐振,次级D1关断,D2注册,二极管D1约为两倍输出电压,此刻能量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关断。
 
  2)〔t2,t3〕
 
  Q1和Q2一起关断,此刻处于死区时刻, 此刻电感Lr, Lm电流给Q2的输出电容充电,给Q1的输出电容放电直到Q2输出电容的电压等于Vin.
 
  次级D1和D2关断 Vd1=Vd2=0, 当Q1注册时该相位完毕。
 
  3)〔t3,t4〕
 
  Q1导通,Q2关断。D1导通, D2关断, 此刻Vd2=2Vout
 
  Cr和Lr谐振在fr1, 此刻Ls的电流经过Q1返回到Vin,直到Lr的电流为零次相位完毕。
 
  4)〔t4,t5〕
 
  Q1导通, Q2关断, D1导通, D2关断,Vd2=2Vout
 
  Cr和Lr谐振在fr1, Lr的电流反向经过Q1流回功率地。 能量从输入转换到次级,直到Q1关断该相位完毕
 
  5)〔t5,t6)
 
  Q1,Q2一起关断, D1,D2关断, 原边电流I(Lr+Lm)给Q1的Coss充电, 给Coss2放电, 直到Q2的Coss电压为零。 此刻Q2二极管开端导通。 Q2注册时相位完毕。
 
  6)〔t6,t7〕
 
  Q1关断,Q2导通,D1关断, D2 注册,Cr和Ls谐振在频率fr1, Lr 电流经Q2回到地。 当Lr电流为零时相位完毕。
 
  3.2 LLC谐振转换器反常状况剖析
 
  以上描述都是LLC作业在谐振形式, 接下来咱们剖析LLC转换器在启机, 短路, 动态负载下的作业情况。
 
  3.21 启机状况剖析
 
  经过LLC 仿真咱们得到如图3所示的波形,在启机第一个开关周期,上下管会一起呈现一个时刻短的峰值电流Ids1 和Ids2. 因为MOSFET Q1注册时会给下管Q2的输出电容Coss充电,当Vds为高电平时充电完毕。而峰值电流Ids1和Ids2也正是因为Vin经过MOSFET Q1 给Q2 结电容Coss的充电而产生。
 
  咱们将焦点放在第二个开关周期时如图4,咱们发现此刻也会呈现跟第一个开关周期类似的尖峰电流,并且峰值会更高,一起MOSFET Q2 Vds也呈现一个很高的dv/dt峰值电压。那么这个峰值电流的是否仍然是Coss引起的呢? 咱们来做进一步的研究。
 

开关电源

  图4 第二个开关周期波形图
 
  对MOSFET结构有必定了解的工程师都知道,MOSFET不同于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一个体二极管,跟普通二极管一样在截止进程中都需求中和载流子才能反向康复, 而只有二极管两头加上反向电压才能够使这个反向康复快速完结, 而反向康复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相关, 而体二极管的反向康复相同需求在体二极管两头加上一个反向电压。在启机时加在二极管两头的电压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在启机时简直为零,而二极管在Vd较低时需求很长的时刻来进行反向康复。假如死区时刻设置不够,如图5所示高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT然后击穿MOSFET.
 

开关电源

  图5
 
  经过实践的测试,咱们能够重复到类似的波形,第二个开关周期产生远比第一个开关周期高的峰值电流,一起当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns. 而Vds电压更是超出了600V的最大值。MOSFET在启机时存在危险。
 

开关电源

  图6
 
  3.22 反常状况剖析
 
  下面咱们持续剖析在负载剧烈改变时,对LLC拓扑来说存在那些潜在的危险。
 
  在负载剧烈改变时,如短路,动态负载等状况时,LLC电路的要害器材MOSFET相同也面临着应战。
 
  通常负载改变时LLC 都会经历以下3个状况。咱们称之为硬关断, 而右图中咱们能够比较在这3个时序傍边,传统MOSFET和CoolMOS内部载流子改变的不同, 以及对MOSFET带来的危险。
 

开关电源

  时序1, Q2零电压注册,反向电流经过MOSFET和体二极管, 此刻次级二极管D2注册,D1关段。
 
  -传统MOSFET此刻电子电流经沟道区,然后削减空穴数量
 
  -CoolMOS此刻同传统MOSFET一样电子电流经沟道,穴削减,不同的是此刻CoolMOS 的P井结构开端树立。
 

开关电源

  时序2, Q1和Q2一起关断,反向电流经过MOSFETQ2体二极管。
 
  Q1和Q2关断时关于传统MOSFET和CoolMOS来说内部电子和空穴途径和流向并没有太大的区别。
 
  时序3, Q1此刻开端导通,因为负载的改变, 此刻MOSFET Q2的体二极管需求很长的时刻来反向康复。当二极管反向康复没有完结时MOSFET Q2呈现硬关断, 此刻Q1注册,加在Q2体二极管上的电压会在二极管形成一个大电流然后触发MOSFET内部的BJT形成雪崩。
 
  -传统MOSFET此刻载流子抽出,此刻电子聚集在PN节周围, 空穴电流拥堵在PN节边际。
 
  -CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道, 此刻空穴电流在已树立好的P井结构中流动,并无电子拥堵现象。
 
  综上, 当LLC电路呈现过载,短路,动态负载等条件下, 一旦二极管在死区时刻不能及时反向康复, 产生的巨大的复合电流会触发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。
 
  有的 CoolMOS采用Super Juction结构, 这种结构在MOSFET硬关断的状况下, 载流子会沿垂直构建的P井中复合, 基本上没有侧向电流, 大大削减触发BJT的机会。
 
  4. 怎么更简单完成ZVS
 
  经过以上的剖析,能够看到添加MOSFET的死区时刻,能够提供满足的二极管反向康复时刻一起下降高dv/dt, di/dt 对LLC电路形成的危险。可是添加死区时刻是仅有的挑选么?下面咱们进一步剖析怎么够下降危险提高体系功率。
 

开关电源

  图7
 
  关于LLC 电路来说死区时刻的初始电流为
 

开关电源

  而LLC能够完成ZVS必须满足
 

开关电源

  而最小励磁电感为
 

开关电源

  依据以上3个等式,咱们能够经过以下三种方法让LLC完成ZVS.
 
  第一, 添加Ipk.
 
  第二, 添加死区时刻。
 
  第三, 减小等效电容Ceq即Coss.
 
  从以上几种状况,咱们不难剖分出。添加Ipk会添加电感尺度以及本钱,添加死区时刻会下降正常作业时的电压,而最好的挑选无疑是减小Coss,因为减小无须对电路做任何调整,只需求换上一个Coss相对较小MOSFET即可。
 
  5. 结论
 
  LLC 拓扑广泛的应用于各种开关电源傍边,而这种拓扑在提高功率的一起也对MOSFET提出了新的要求。不同于硬开关拓扑,软开关LLC谐振拓扑,不仅仅对MOSFET的导通电阻(导通损耗),Qg(开关损耗)有要求,一起关于怎么能够有用的完成软开关,怎么下降失功率,提高体系可靠性,下降体系的本钱有更高的要求。CoolMOS,具有快速的体二极管,低Coss,有的可高达650V的击穿电压,使LLC拓扑开关电源具有更高的功率和可靠性。
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