在LLC拓扑中 为什么选用体二极管恢复快的MOSFET

在(zai)当前全(quan)球(qiu)能(neng)源危机(ji)的形式(shi)下，提(ti)(ti)高(gao)电子设备(bei)的能(neng)效(xiao)(xiao)，取得高(gao)性能(neng)同(tong)时降低能(neng)耗，成为业内新(xin)的关(guan)注(zhu)点。为顺应这一趋势，世(shi)界上(shang)许多电子厂商(shang)希望在(zai)产品规格中提(ti)(ti)高(gao)能(neng)效(xiao)(xiao)标准(zhun)。在(zai)电源管(guan)理方面(mian)，用(yong)传统的硬开关(guan)转换器(qi)是很难达(da)到新(xin)能(neng)效(xiao)(xiao)标准(zhun)。因此，电源设计者已将(jiang)开发方向(xiang)转向(xiang)软(ruan)开关(guan)拓扑(pu)，以提(ti)(ti)高(gao)电源的能(neng)效(xiao)(xiao)，实现更高(gao)的工作频率(lv)。

LLC谐振转(zhuan)换器就(jiu)是一种软开(kai)关(guan)拓扑，允许主功率开(kai)关(guan)管(guan)(guan)零电压开(kai)关(guan)，显(xian)著降低开(kai)关(guan)损(sun)耗，大幅提高(gao)电源能(neng)(neng)效。在这种拓扑中(zhong)，为(wei)了实现ZVS开(kai)关(guan)，功率开(kai)关(guan)管(guan)(guan)的(de)寄生体(ti)(ti)二(er)极(ji)管(guan)(guan)必须(xu)反向(xiang)恢复时间非常短(duan)。如果(guo)体(ti)(ti)二(er)极(ji)管(guan)(guan)不(bu)能(neng)(neng)恢复全部(bu)载流(liu)子(zi)，则在负载从低到高(gao)的(de)变化过程中(zhong)，可能(neng)(neng)会发生硬开(kai)关(guan)操作，并可能(neng)(neng)导(dao)致寄生双极(ji)晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)导(dao)通。

拓扑简介

LLC拓扑的基本半(ban)桥电路是由两个开关(guan)管组成，高边开关(guan)管(Q1)和(he)低边开关(guan)管(Q2)通过(guo)电感Lr和(he)电容Cr与(yu)(yu)变压器相连（见(jian)图1）。开关(guan)管与(yu)(yu)寄生体二(er)极管（D1和(he)D2）和(he)寄生输(shu)出电容（C1和(he)C2）并(bing)联，为(wei)了阐(chan)明它们(men)在(zai)全局(ju)功(gong)能中的作(zuo)用，我们(men)在(zai)图中把(ba)它们(men)单独标注出来。

在(zai)图1中，我(wo)们(men)注意到多出一个Lr电感(gan)，实际上，Lr是变(bian)压器漏电感(gan)，其规则在(zai)LLC拓扑(pu)中非常重要(yao)。

如果变压器原边电感Lm值很大，不会影响谐振网络，则上图(tu)所示的转换(huan)器就是一个串联谐振转换(huan)器。

在(zai)一个(ge)谐(xie)(xie)振(zhen)单元中，当输入信号(hao)频(pin)率(fi)等于(yu)谐(xie)(xie)振(zhen)频(pin)率(fr)时 - 即当LC阻抗为(wei)零时，增益最大。谐(xie)(xie)振(zhen)转换器工作频(pin)率范围是由两个(ge)特定(ding)的谐(xie)(xie)振(zhen)频(pin)率值界(jie)定(ding)，这些频(pin)率值与电路(lu)有关。驱动控制器设定(ding)MOSFET的开(kai)关频(pin)率(fs)等于(yu)电路(lu)谐(xie)(xie)振(zhen)频(pin)率，以保证谐(xie)(xie)振(zhen)的重要优势。

现在我们(men)将看到，如(ru)何通过改变(bian)负载，使(shi)谐(xie)振频率从(cong)最(zui)小(xiao)值(fr2)变(bian)为最(zui)大值(fr1)：

当时，LLC就像一个串联的RC谐振腔；这种功能出现在高负载条件下，即当Lm与低阻抗并联时；当时，LLC类似于并联RC谐振腔，这功能出现在低负载条件下。系统通常不在这个区域工作，因为可以在ZCS条件下运行。如果频率fi在fr2 < fi < fr1范围内，则两个功能同时存在。

如果使用图(tu)形(xing)表示谐振单(dan)元的增益，我(wo)们就得(de)到图(tu)3所示的曲线，不难看出(chu)，图(tu)形(xing)变化与Q值相关(guan)。

LLC谐振转换器的工作范围受限于(yu)峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)。值(zhi)得注意(yi)的是，峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)电压增(zeng)(zeng)益(yi)既(ji)不(bu)发生在fr1处 ，也不(bu)出现在 fr2处。峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)对(dui)应的峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)频(pin)率(lv)是fr2与fr1之(zhi)间(jian)的最(zui)大频(pin)率(lv)。随着(zhe)(zhe)Q值(zhi)减小（随着(zhe)(zhe)负载(zai)减小），峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)频(pin)率(lv)移向fr2，并且获得更高(gao)的峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)。随着(zhe)(zhe)Q值(zhi)增(zeng)(zeng)加（负载(zai)增(zeng)(zeng)加），峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)频(pin)率(lv)移向fr1，峰(feng)(feng)(feng)(feng)值(zhi)增(zeng)(zeng)益(yi)下(xia)降。因此，满载(zai)应该是谐振网络设计的最(zui)差工作条件。

从MOSFET角度(du)看，如前所述，MOSFET的(de)软开关是(shi)包括(kuo)LLC在(zai)内的(de)谐(xie)振转换(huan)器(qi)的(de)重要优点，而对于整(zheng)个系统，由于输(shu)出电(dian)流是(shi)正弦(xian)波(bo)(bo)，因(yin)此(ci)， EMI干(gan)扰降低。图4所示是(shi)LLC转换(huan)器(qi)的(de)典(dian)型波(bo)(bo)形(xing)特(te)性。

在(zai)(zai)图4中(zhong)我们注意到，漏极电(dian)流(liu)Ids1在(zai)(zai)变正前是在(zai)(zai)负电(dian)流(liu)区摆动(dong)。负电(dian)流(liu)值表(biao)示体二极管(guan)导(dao)通。在(zai)(zai)此阶段，由于(yu)二极管(guan)上的(de)压降，MOSFET漏源两极的(de)电(dian)压非(fei)常(chang)小。如果MOSFET在(zai)(zai)体二极管(guan)导(dao)通期间开关，则发(fa)生ZVS开关，开关损(sun)耗降低。该特性可以缩减散热(re)器尺寸，提高系统(tong)能效。

如(ru)果MOSFET开关频(pin)率(lv)fs小于fr1，功(gong)率(lv)器件(jian)上(shang)(shang)的(de)电流的(de)形(xing)状会(hui)改变。事(shi)实(shi)上(shang)(shang)，如(ru)果持续(xu)时间足以在输出二极管上(shang)(shang)产生不连续(xu)的(de)电流，则原(yuan)边电流形(xing)状会(hui)偏离正弦(xian)波(bo)形(xing)。

此外，如(ru)果MOSFET的(de)寄生输出电(dian)容(rong)C1和C2与Cr的(de)容(rong)值相(xiang)当，则谐振(zhen)频率(lv)fr也会受(shou)到(dao)器(qi)件的(de)影响。正(zheng)是由于这(zhei)个原因，在(zai)设计过程中，选择Cr值大于C1和C2，可以解决这(zhei)个问题(ti)，使fr值不受(shou)所用(yong)器(qi)件的(de)影响。

续流和ZVS条件

分析一下谐(xie)振(zhen)频率的方程式(shi)就会发现(xian)，在高于(yu)(yu)峰值(zhi)增益频率时(shi)(shi)，谐(xie)振(zhen)网络(luo)的输入(ru)(ru)阻(zu)抗(kang)(kang)是感(gan)抗(kang)(kang)，谐(xie)振(zhen)网络(luo)的输入(ru)(ru)电流(liu)（Ip）滞后(hou)于(yu)(yu)谐(xie)振(zhen)网络(luo)的输入(ru)(ru)电压（Vd）。在低于(yu)(yu)峰值(zhi)增益频率时(shi)(shi)，谐(xie)振(zhen)网络(luo)的输入(ru)(ru)阻(zu)抗(kang)(kang)变为容(rong)抗(kang)(kang)，并且(qie)Ip领先(xian)Vd。在电容(rong)区工作时(shi)(shi)，体二极管在MOSFET开关(guan)期(qi)间执行反向恢(hui)复操作。

当系统在(zai)电容区工(gong)作时，MOSFET会面(mian)临(lin)极大(da)的潜在(zai)失效风(feng)险。事实上，如图6中(zhong)的绿色圆圈所示，寄生体二(er)极管的反向恢复(fu)时间(jian)变得非(fei)常(chang)重要(yao)。

根据这一(yi)点，在负载由低变高的过程中（图7），驱动电路应强制MOSFET进入ZVS和(he)正关断电流区。如果(guo)无法(fa)保证，MOSFET的工作区可能很危险(xian)。

在低(di)(di)(di)负(fu)载(zai)稳(wen)态(tai)条件(jian)下(xia)，系统(tong)工作在频率(lv)(lv)较低(di)(di)(di)的谐振频率(lv)(lv)fr2附(fu)近(jin)，然后ZVS导通(tong)，并保证(zheng)正(zheng)关(guan)断漏(lou)极(ji)电(dian)流(liu)。在负(fu)载(zai)变化（从低(di)(di)(di)到高）后，开关(guan)频率(lv)(lv)应(ying)该变成新的谐振频率(lv)(lv)。如果没(mei)有发生这种(zhong)情况（如图8中(zhong)绿线所示(shi)），则(ze)系统(tong)状态(tai)经过区域(yu)3（ZCS区域(yu)）和ZVS导通(tong)，正(zheng)关(guan)断漏(lou)极(ji)电(dian)流(liu)不会出现。因(yin)此，当MOSFET关(guan)断时，电(dian)流(liu)也会流(liu)过寄生体(ti)二极(ji)管。

在(zai)增(zeng)益图上分析一(yi)下负载从低(di)变高的过程，我们不难发现：

黑虚线(xian)代表负载(zai)变化(hua)期间的(de)理想路(lu)(lu)径，而(er)绿虚线(xian)表示实际路(lu)(lu)径。在负载(zai)从低变高的(de)过(guo)程中，可以看(kan)到(dao)系统经过(guo)ZCS区域，因此，寄(ji)生体二极(ji)管(guan)的(de)性能变得非常重要。出(chu)于(yu)这个原因，新LLC设计(ji)的(de)趋势是使用体二极(ji)管(guan)恢复时间非常短的(de)功率器件。

MOSFET的优势

MOSFET简称(cheng)(cheng)金氧半场(chang)效(xiao)晶(jing)体(ti)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使(shi)用在模拟(ni)电路与数字电路的(de)场(chang)效(xiao)晶(jing)体(ti)管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子(zi)）的(de)极性不同，可分为“N型(xing)”与“P型(xing)” 的(de)两种类(lei)型(xing)，通常又称(cheng)(cheng)为NMOSFET与PMOSFET，其他简称(cheng)(cheng)尚包括NMOS、PMOS等(deng)。

1、场效(xiao)应(ying)晶体管是电(dian)压控制元件(jian)，而双极结(jie)型(xing)晶体管是电(dian)流控制元件(jian)。在(zai)只允许从取较(jiao)少电(dian)流的(de)情况下，应(ying)选用场效(xiao)应(ying)管；而在(zai)信号电(dian)压较(jiao)低，又允许从信号源取较(jiao)多电(dian)流的(de)条件(jian)下，应(ying)选用双极晶体管。

2、有些场效应(ying)管的源极(ji)和漏极(ji)可以互(hu)换使用(yong)，栅压也(ye)可正可负(fu)，灵(ling)活性(xing)比双(shuang)极(ji)晶体管好。

3、场(chang)效应管是利用多(duo)数载流子(zi)导电(dian)，所以(yi)称之为(wei)单极(ji)(ji)型器(qi)件，而(er)双(shuang)极(ji)(ji)结型晶体(ti)管是即有(you)多(duo)数载流子(zi)，也利用少数载流子(zi)导电(dian)。因此被称之为(wei)双(shuang)极(ji)(ji)型器(qi)件。

4、场效应(ying)管(guan)能在(zai)很小电(dian)流和(he)很低电(dian)压的(de)条件下工(gong)作，而(er)且它的(de)制造工(gong)艺可以很方便(bian)地把很多场效应(ying)管(guan)集成在(zai)一块硅片(pian)上，因此场效应(ying)管(guan)在(zai)大规模集成电(dian)路中得到了广(guang)泛的(de)应(ying)用。

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