半桥谐振LLC+CoolMOS开关端电路任务道理及布局详解-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2018-11-29
电路布局，半桥布局如图所示，它是两个功率开关器件（如 MOS 管）以图腾柱的情势相毗连，以中间点作为输入，供给方波旌旗灯号。这类布局在 PWM 机电节制、DC-AC逆变、电子镇流器等场所有着普遍的利用。
半桥布局如图所示，它是两个功率开关器件（如 MOS 管）以图腾柱的情势相毗连，以中间点作为输入，供给方波旌旗灯号。
这类布局在 PWM 机电节制、DC-AC逆变、电子镇流器等场所有着普遍的利用。凹凸两个管子由反相的旌旗灯号节制，当一个功率管开时，另外一个关断，如许在输入点 OUT 就获得电压从 0 到 VHV的脉冲旌旗灯号。由于开关延时的存在，当此中的一个管子栅极旌旗灯号变为低时，它并不会立即关断，是以一个管子必须在另外一个管子关断后必然时候方可开启，以防止同时开启构成的电流穿通，这个时候称为死区时候，如图中Td所示。
下图为半桥电路布局及凹凸侧驱动旌旗灯号
半桥电路相较全桥电路具备本钱低、节制绝对轻易的上风，可是由于半桥电路的变压器输入电压仅为约正负(1/2)Vin，相较全桥电路当输入电压输入电压不异时，通报不异的功率半桥电路原边开关管蒙受的电流应力要比全桥电路大很多（约为两倍），半桥电路通俗利用于中小功率（1KW以下）场所。
迩来， 半桥谐振拓扑以其高效，高功率密度遭到泛博电源设想工程师的喜爱，可是这类软开关拓扑对MOSFET的请求却跨越了以往任何一种硬开关拓扑。出格是在电源启机，静态负载，过载，短路等环境下。CoolMOS 以其快规复体二极管，低Qg 和Coss可以或许或许或许或许完整知足这些须要并大大晋升电源体系的靠得住性。
持久以来， 晋升电源体系功率密度，效力和体系的靠得住性一向是研发职员面对的严重课题。 晋升电源的开关频次是此中的体例之一， 可是频次的晋升会影响到功率器件的开关消耗，使得晋升频次对硬开关拓扑来讲结果并不非常较着，硬开关拓扑已到达了它的设想瓶颈。而此时，软开关拓扑，如LLC拓扑以其独具的特色遭到泛博设想工程师的追捧。可是… 这类拓扑却对功率器件提出了新的请求。
半桥谐振拓扑的以下特色使其普遍的利用于各类开关电源傍边：
1. LLC 转换器可以或许或许或许在宽负载规模内完成零电压开关。
2. 可以或许或许或许或许在输入电压和负载大规模变更的环境下调节输入，同时开关频次变更绝对很小。
3. 接纳频次节制，凹凸管的占空比都为50%.
4. 减小次级同步整流MOSFET 的电压应力，可以或许或许或许接纳更低的电压MOSFET从而削减本钱。
5. 无需输入电感，可以或许或许或许进一步下降体系本钱。
6. 接纳更低电压的同步整流MOSFET, 可以或许或许或许进一步晋升效力。
图1和图2别离给出了LLC谐振变更器的典范线路和任务波形。如图1所示LLC转换器包含两个功率MOSFET（Q1和Q2），其占空比都为0.5;谐振电容Cr,副边匝数相称的中间抽头变压器Tr,等效电感Lr,励磁电感Lm,全波整流二极管D1和D2和输入电容Co。
图1 LLC谐振变更器的典范线路
图2 LLC谐振变更器的任务波形
而LLC有两个谐振频次，Cr, Lr 决议谐振频次fr1; 而Lm, Lr, Cr决议谐振频次fr2。
体系的负载变更时会构成体系任务频次的变更，当负载增添时， MOSFET开关频次减小， 当负载减小时，开关频次增大。
LLC变更器的稳态任务道理以下。
1）〔t1,t2〕
Q1关断，Q2守旧，电感Lr和Cr停止谐振，次级D1关断，D2守旧，二极管D1约为两倍输入电压，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，此时处于死区时候， 此时电感Lr, Lm电流给Q2的输入电容充电，给Q1的输入电容放电直到Q2输入电容的电压即是Vin。次级D1和D2关断 Vd1=Vd2=0, 当Q1守旧时该相位竣事。
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的电流经由进程Q1前往到Vin,直到Lr的电流为零次相位竣事。
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的电流反向经由进程Q1流回功率地。 能量从输入转换到次级，直到Q1关断该相位竣事
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Q2二极管起头导通。 Q2守旧时相位竣事。
6）〔t6,t7〕
Q1关断，Q2导通，D1关断， D2 守旧，Cr和Ls谐振在频次fr1, Lr 电流经Q2回到地。 当Lr电流为零时相位竣事。
以上描写都是LLC任务在谐振形式， 接上去咱们阐发LLC转换器在启机， 短路， 静态负载下的任务环境。
启机状态阐发
经由进程LLC 仿真咱们获得如图3所示的波形，在启机第一个开关周期，凹凸管会同时呈现一个长久的峰值电流Ids1 和Ids2. 由于MOSFET Q1守旧时会给下管Q2的输入电容Coss充电，当Vds为高电日常平凡充电竣事。而峰值电流Ids1和Ids2也恰是由于Vin经由进程MOSFET Q1 给Q2 结电容Coss的充电而发生。
咱们将核心放在第二个开关周期时如图4,咱们发明此时也会呈现跟第一个开关周期近似的尖峰电流，并且峰值会更高，同时MOSFET Q2 Vds也呈现一个很高的dv/dt峰值电压。那末这个峰值电流的是不是依然是Coss引发的呢？ 咱们来做进一步的研讨。
图4 第二个开关周期波形图
对MOSFET布局有必然领会的工程师都晓得，MOSFET差别于IGBT,在MOSFET外部实在寄生有一个别二极管，跟通俗二极管一样在停止进程中都须要中和载流子能力反向规复， 而只要二极管两头加上反向电压能力够或许或许使这个反向规复疾速完成， 而反向规复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相干， 而体二极管的反向规复一样须要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在启机时几近为零，而二极管在Vd较低时须要很长的时候来停止反向规复。若是死区时候设置不够，如图5所示高的dv/dt会间接触发MOSFET内的BJT从而击穿MOSFET.
经由进程现实的测试，咱们可以或许或许或许反复到近似的波形，第二个开关周期发生远比第一个开关周期高的峰值电流，同时当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns. 而Vds电压更是超越了600V的最大值。MOSFET在启机时存在危险。
非常状态阐发
上面咱们持续阐发在负载猛烈变更时，对LLC拓扑来讲存在那些潜伏的危险。
在负载猛烈变更时，如短路，静态负载等状态时，LLC电路的关头器件MOSFET一样也面对着挑衅。
凡是负载变更时LLC 城市履历以下3个状态。咱们称之为硬关断， 而右图中咱们可以或许或许或许比拟在这3个时序傍边，传统MOSFET和CoolMOS外部载流子变更的差别， 和对MOSFET带来的危险。
时序1, Q2零电压守旧，反向电流颠末MOSFET和体二极管， 此时次级二极管D2守旧，D1关段。
-传统MOSFET此时电子电流经沟道区，从而削减空穴数目
-CoolMOS此时同传统MOSFET一样电子电流经沟道，穴削减，差别的是此时CoolMOS 的P井布局起头成立。
时序2, Q1和Q2同时关断，反向电流颠末MOSFETQ2体二极管。
Q1和Q2关断时对传统MOSFET和CoolMOS来讲外部电子和空穴途径和流向并不太大的区分。
时序3, Q1此时起头导通，由于负载的变更， 此时MOSFET Q2的体二极管须要很长的时候来反向规复。当二极管反向规复不完成时MOSFET Q2呈现硬关断， 此时Q1守旧，加在Q2体二极管上的电压会在二极管构成一个大电流从而触发MOSFET外部的BJT构成雪崩。
-传统MOSFET此时载流子抽出，此时电子堆积在PN节四周， 空穴电流拥挤在PN节边缘。
-CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道， 此时空穴电流在已成立好的P井布局中活动，并无电子拥挤景象。
综上， 当LLC电路呈现过载，短路，静态负载等前提下， 一旦二极管在死区时候不能实时反向规复， 发生的庞大的复合电流会触发MOSFET外部的BJT使MOSFET生效。
有的 CoolMOS接纳Super Juction布局， 这类布局在MOSFET硬关断的状态下， 载流子会沿垂直构建的P井中复合， 根基上不侧向电流， 大大削减触发BJT的机遇。
经由进程以上的阐发，可以或许或许或许看到增添MOSFET的死区时候，可以或许或许或许供给充足的二极管反向规复时候同时下降高dv/dt, di/dt 对LLC电路构成的危险。可是增添死区时候是独一的挑选么？上面咱们进一步阐发若何够下降危险晋升体系效力。
对LLC 电路来讲死区时候的初始电流为
而LLC可以或许或许或许或许完成ZVS必须知足
而最小励磁电感为
按照以上3个等式，咱们可以或许或许或许经由进程以下三种体例让LLC完成ZVS.
第一， 增添Ipk.
第二， 增添死区时候。
第三， 减小等效电容Ceq即Coss.
从以上几种状态，咱们不难阐发出。增添Ipk会增添电感尺寸和本钱，增添死区时候会下降一般任务时的电压，而最好的挑选无疑是减小Coss,由于减小不必对电路做任何调剂，只须要换上一个Coss绝对较小MOSFET便可。
LLC 拓扑普遍的利用于各类开关电源傍边，而这类拓扑在晋升效力的同时也对MOSFET提出了新的请求。差别于硬开关拓扑，软开关LLC谐振拓扑，不只仅对MOSFET的导通电阻（导通消耗），Qg（开关消耗）有请求，同时对若何可以或许或许或许或许有用的完成软开关，若何下降生效力，晋升体系靠得住性，下降体系的本钱有更高的请求。CoolMOS，具备疾速的体二极管，低Coss,有的可高达650V的击穿电压，使LLC拓扑开关电源具备更高的效力和靠得住性。
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