在LLC拓撲中 為什么選用體二極管恢復快的MOSFET

在當前全球能源危機的形式下，提高電子設備的能效，取得高性能同時降低能耗，成為業內新的關注點。為順應這一趨勢，世界上許多電子廠商希望在產品規格中提高能效標準。在電源管理方面，用傳統的硬開關轉換器是很難達到新能效標準。因此，電源設計者已將開發方向轉向軟開關拓撲，以提高電源的能效，實現更高的工作頻率。

LLC諧振轉換器就是一種軟開關拓撲，允許主功率開關管零電壓開關，顯著降低開關損耗，大幅提高電源能效。在這種拓撲中，為了實現ZVS開關，功率開關管的寄生體二極管必須反向恢復時間非常短。如果體二極管不能恢復全部載流子，則在負載從低到高的變化過程中，可能會發生硬開關操作，并可能導致寄生雙極晶體管導通。

拓撲簡介

LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個開關管組成，高邊開關管(Q1)和低邊開關管(Q2)通過電感Lr和電容Cr與變壓器相連（見圖1）。開關管與寄生體二極管（D1和D2）和寄生輸出電容（C1和C2）并聯，為了闡明它們在全局功能中的作用，我們在圖中把它們單獨標注出來。

在圖1中，我們注意到多出一個Lr電感，實際上，Lr是變壓器漏電感，其規則在LLC拓撲中非常重要。

如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會影響諧振網絡，則上圖所示的轉換器就是一個串聯諧振轉換器。

在一個諧振單元中，當輸入信號頻率(fi)等于諧振頻率(fr)時 - 即當LC阻抗為零時，增益最大。諧振轉換器工作頻率范圍是由兩個特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關。驅動控制器設定MOSFET的開關頻率(fs)等于電路諧振頻率，以保證諧振的重要優勢。

現在我們將看到，如何通過改變負載，使諧振頻率從最小值(fr2)變為最大值(fr1)：

當時，LLC就像一個串聯的RC諧振腔；這種功能出現在高負載條件下，即當Lm與低阻抗并聯時；當時，LLC類似于并聯RC諧振腔，這功能出現在低負載條件下。系統通常不在這個區域工作，因為可以在ZCS條件下運行。如果頻率fi在fr2 < fi < fr1范圍內，則兩個功能同時存在。

如果使用圖形表示諧振單元的增益，我們就得到圖3所示的曲線，不難看出，圖形變化與Q值相關。

LLC諧振轉換器的工作范圍受限于峰值增益。值得注意的是，峰值電壓增益既不發生在fr1處 ，也不出現在 fr2處。峰值增益對應的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減小（隨著負載減小），峰值增益頻率移向fr2，并且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加（負載增加），峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿載應該是諧振網絡設計的最差工作條件。

從MOSFET角度看，如前所述，MOSFET的軟開關是包括LLC在內的諧振轉換器的重要優點，而對于整個系統，由于輸出電流是正弦波，因此， EMI干擾降低。圖4所示是LLC轉換器的典型波形特性。

在圖4中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負電流區擺動。負電流值表示體二極管導通。在此階段，由于二極管上的壓降，MOSFET漏源兩極的電壓非常小。如果MOSFET在體二極管導通期間開關，則發生ZVS開關，開關損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高系統能效。

如果MOSFET開關頻率fs小于fr1，功率器件上的電流的形狀會改變。事實上，如果持續時間足以在輸出二極管上產生不連續的電流，則原邊電流形狀會偏離正弦波形。

此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當，則諧振頻率fr也會受到器件的影響。正是由于這個原因，在設計過程中，選擇Cr值大于C1和C2，可以解決這個問題，使fr值不受所用器件的影響。

續流和ZVS條件

分析一下諧振頻率的方程式就會發現，在高于峰值增益頻率時，諧振網絡的輸入阻抗是感抗，諧振網絡的輸入電流（Ip）滯后于諧振網絡的輸入電壓（Vd）。在低于峰值增益頻率時，諧振網絡的輸入阻抗變為容抗，并且Ip領先Vd。在電容區工作時，體二極管在MOSFET開關期間執行反向恢復操作。

當系統在電容區工作時，MOSFET會面臨極大的潛在失效風險。事實上，如圖6中的綠色圓圈所示，寄生體二極管的反向恢復時間變得非常重要。

根據這一點，在負載由低變高的過程中（圖7），驅動電路應強制MOSFET進入ZVS和正關斷電流區。如果無法保證，MOSFET的工作區可能很危險。

在低負載穩態條件下，系統工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然后ZVS導通，并保證正關斷漏極電流。在負載變化（從低到高）后，開關頻率應該變成新的諧振頻率。如果沒有發生這種情況（如圖8中綠線所示），則系統狀態經過區域3（ZCS區域）和ZVS導通，正關斷漏極電流不會出現。因此，當MOSFET關斷時，電流也會流過寄生體二極管。

在增益圖上分析一下負載從低變高的過程，我們不難發現：

黑虛線代表負載變化期間的理想路徑，而綠虛線表示實際路徑。在負載從低變高的過程中，可以看到系統經過ZCS區域，因此，寄生體二極管的性能變得非常重要。出于這個原因，新LLC設計的趨勢是使用體二極管恢復時間非常短的功率器件。

MOSFET的優勢

MOSFET簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS、PMOS等。

1、場效應晶體管是電壓控制元件，而雙極結型晶體管是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用雙極晶體管。

2、有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比雙極晶體管好。

3、場效應管是利用多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而雙極結型晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。因此被稱之為雙極型器件。

4、場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規模集成電路中得到了廣泛的應用。

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