提升开关电源效率和可靠性：半桥谐振LLC CoolMOS开关管
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1.摘要 近来， LLC拓扑以其高效，高功率密度受到广大电源设计工程师的青睐，但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 以其快恢复体二极管，低Qg 和Coss能够完全满足这些需求并大大提升电源系统的可靠性。 长期以来， 提升电源系统功率密度，效率以及系统的可靠性一直是研发人员面临的重大课题。 提升电源的开关频率是其中的方法之一， 但是频率的提升会影响到功率器件的开关损耗，使得提升频率对硬开关拓扑来说效果并不十分明显，硬开关拓扑已经达到了它的设计瓶颈。而此时，软开关拓扑，如LLC拓扑以其独具的特点受到广大设计工程师的追捧。但是，这种拓扑却对功率器件提出了新的要求。 2. LLC 电路的特点 LLC 拓扑的以下特点使其广泛的应用于各种开关电源之中： 1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。 2. 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。 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，可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。 5. 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。 6. 采用更低电压的同步整流MOSFET, 可以进一步提升效率。 3. LLC 电路的基本结构以及工作原理 图1和图2分别给出了LLC谐振变换器的典型线路和工作波形。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。 图1 LLC谐振变换器的典型线路 图2 LLC谐振变换器的工作波形 而LLC有两个谐振频率，Cr, Lr 决定谐振频率fr1; 而Lm, Lr, Cr决定谐振频率fr2。 系统的负载变化时会造成系统工作频率的变化，当负载增加时， MOSFET开关频率减小， 当负载减小时，开关频率增大。
3.1 LLC谐振变换器的工作时序 LLC变换器的稳态工作原理如下。 1）〔t1,t2〕 Q1关断，Q2开通，电感Lr和Cr进行谐振，次级D1关断，D2开通，二极管D1约为两倍输出电压，此时能量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关断。 2）〔t2,t3〕 Q1和Q2同时关断，此时处于死区时间， 此时电感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谐振在fr1, 此时Ls的电流通过Q1返回到Vin,直到Lr的电流为零次相位结束。 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的电流反向通过Q1流回功率地。 能量从输入转换到次级，直到Q1关断该相位结束 5）〔t5,t6） Q1,Q2同时关断， 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。 此时Q2二极管开始导通。 Q2开通时相位结束。 6）〔t6,t7〕 Q1关断，Q2导通，D1关断， D2 开通，Cr和Ls谐振在频率fr1, Lr 电流经Q2回到地。 当Lr电流为零时相位结束。 3.2 LLC谐振转换器异常状态分析 以上描述都是LLC工作在谐振模式， 接下来我们分析LLC转换器在启机， 短路， 动态负载下的工作情况。 3.21 启机状态分析 通过LLC 仿真我们得到如图3所示的波形，在启机第一个开关周期，上下管会同时出现一个短暂的峰值电流Ids1 和Ids2. 由于MOSFET Q1开通时会给下管Q2的输出电容Coss充电，当Vds为高电平时充电结束。而峰值电流Ids1和Ids2也正是由于Vin通过MOSFET Q1 给Q2 结电容Coss的充电而产生。 |
