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提升电源系统可靠性的有效选择

2021-03-06 ryder

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酷爱,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。InfineonCoolMOSCFD2系列以其高击穿电压,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。


1.引言


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对的重大课题。提升电源的开关频率是其中的办法之一,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明显显,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使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1LLC谐振变换器的典型线路


图2LLC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,当负载新增时,MOSFET开关频率减小,当负载减小时,开关频率增大。


3.1LLC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。


3.2LLC谐振转换器异常状态分解


以上描述都是LLC工作在谐振模式,接下来我们分解LLC转换器在启机,短路,动态负载下的工作情况。


3.21启机状态分解


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MOSFETQ1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MOSFETQ1给Q2结电容Coss的充电而出现。


图3LLC仿真波形


我们将焦点放在第二个开关周期时如图4,我们发现此时也会出现跟第一个开关周期类似的尖峰电流,而且峰值会更高,同时MOSFETQ2Vds也出现一个很高的dv/dt峰值电压。那么这个峰值电流的是不是依然是Coss引起的呢?我们来做进一步的研究。


图4第二个开关周期波形图

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