減少碳排放：很少有人質疑減少碳排放的必要性，但挑戰(zhàn)需要不斷提高所有相關電子系統(tǒng)的效率。為這些系統(tǒng)供電的電源必須滿足三個要求：更高的效率、更高的功率密度和更高的組件密度。如何?通過應用具有降低功耗的電氣配置。

在幾種類型的開關模式電源中，具有 LLC 半橋配置的諧振電源轉換器因其固有的實現(xiàn)更高效率(更低開關損耗)和增加開關頻率的能力而受到廣泛關注。在這些拓撲中選擇正確的功率 MOSFET 是一項具有挑戰(zhàn)性的任務——特定的操作模式引入了低開關損耗和高可靠性等限制，必須同時滿足這些限制。

我們將了解諧振 LLC 拓撲的特性，特別是 MOSFET 器件在系統(tǒng)運行期間的潛在故障機制。

LLC 諧振半橋轉換器：拓撲和特性

LLC 諧振半橋轉換器的基本拓撲的電路由以下部分組成：

方波發(fā)生器

兩個功率 MOSFET Q 1(高端)和 Q 2(低端)被配置為產生單極方波電壓。

諧振槽

諧振網絡由一個電容 C r和兩個電感 L r和 L m構成。除了增加電感器 Lm 之外，LLC 諧振轉換器看起來與 LC 串聯(lián)諧振轉換器 (SRC) 非常相似。

整流器和濾波器

整流器由轉換器的次級側、兩個用于全波整流的二極管和一個輸出電容器 C o 組成，用于平滑負載 R L的整流電壓。

經過多年的研究，各種方法和技術已被用于 LLC 轉換器的分析和建模。

我們看到 LLC 諧振轉換器的工作區(qū)域分為兩個主要開關類型區(qū)域：ZCS 區(qū)域和 ZVS 區(qū)域。在第一區(qū)域 (ZCS) 中，與諧振回路中的電壓信號相比，電流信號延遲時發(fā)生轉換。該行為是電容模式。電壓信號延遲的第二個區(qū)域 (ZVS) 會出現(xiàn)相反的行為。當轉換器以高于諧振頻率 f r1的頻率進行切換時，它始終在 ZVS 模式下運行。當轉換器以低于諧振頻率 f r2的頻率進行切換時，它始終在 ZCS 模式下運行。當轉換器在諧振頻率 f r1和 f r2之間的頻率上切換時，負載條件決定了轉換器是在 ZVS 還是 ZCS 模式下運行。在正常工作條件下，LLC 諧振轉換器的工作高于但非常接近諧振頻率 f r1，這是獲得高效率的最佳工作點。

當開關頻率等于諧振頻率時，增益曲線都收斂于單位點;換句話說，這個單位增益點是與負載無關的，只要輸入電壓相同，在該點工作的轉換器對于任何級別的輸出功率都不需要改變其開關頻率。

1 LLC 諧振 HB 中的非標準操作 1.1 電容區(qū)域操作

我們已經看到 MOSFET 的電容區(qū)域代表了一個危險的工作區(qū)域。一個例子是當系統(tǒng)在低負載下工作在穩(wěn)定狀態(tài)時。在這種情況下，系統(tǒng)的頻率接近較低的諧振頻率，并且獲得了 ZVS。

現(xiàn)在，想象一下負載從低值變?yōu)楦咧担洪_關頻率應遵循新的諧振頻率，如果沒有發(fā)生這種情況，我們可能會在區(qū)域 3 內過渡。

當電流通過體二極管循環(huán)時，MOSFET 關閉，并且由于拮抗 MOSFET 開啟，體二極管可能發(fā)生恢復。

在這種情況下，由于導電體二極管的電流和電壓，會產生額外的功耗。

如果兩個 MOSFET 同時導通，半橋拓撲可能會出現(xiàn)致命的擊穿情況。一般來說，在體二極管的恢復期間，我們可能會出現(xiàn)大而充滿活力的正電流尖峰。

有幾種解決方案可以降低這種風險。例如，能夠管理死區(qū)時間或適當網絡電路的專用柵極驅動器控制器可以增加死區(qū)時間或提供更高的 R門值。此外，芯片制造商現(xiàn)在正在推出恢復時間更短的專用 MOSFET 器件。一個恰當?shù)睦樱篠TMicroelectronics 憑借其 MDmesh? DM2 MOSFET 技術，為客戶提供穩(wěn)健的解決方案，并在體二極管的恢復時間方面具有增強的性能。MDmesh? DM2 技術保證恢復時間低于 200ns。

正如我們之前討論過的，諧振轉換器可以在電容或電感區(qū)域內運行。

當系統(tǒng)工作在感性區(qū)域時，開關處于 ZVS。在主開關從 ON 狀態(tài)變?yōu)?OFF 狀態(tài)的過渡期間，其電流 I p具有正值(紫色區(qū)域)并從漏極流向源極。如果系統(tǒng)工作在電容區(qū)域，則操作發(fā)生在 ZCS。在這種情況下，(米色區(qū)域)主開關上的電流從源極流向漏極，也涉及 MOSFET 結構上的物理二極管。

LLC 系統(tǒng)可能會遇到電容模式操作，例如，在兩種情況下：

1.1.1 軟電容模式：

當儲能電流相位逐漸接近零時會發(fā)生這種情況，例如在輸入電壓變低時以最大負載斷電時。通常在這種情況下，諧振控制器(如 STMicroelectronics 的 L6699A (2))具有高級保護功能(抗電容模式)，可以像過載一樣提高開關頻率，從而提高儲能電流相位。

1.1.2 硬電容模式

當儲能電流相位從一個周期到另一個周期變?yōu)榱慊驗樨摃r，就會發(fā)生這種情況，就像輸出短路的情況一樣。

在這種情況下，MOSFET 關閉，轉換器停止，并且沒有硬開關發(fā)生。

1.2 啟動時的硬切換

在啟動過程中，ZVS 條件可能會丟失，導致 MOSFET 硬開關，并出現(xiàn)巨大的二極管反向恢復電流。在啟動時，諧振電容器兩端的電壓最初會放電，并且在充電到穩(wěn)態(tài)值 Vin/2 之前需要多個開關周期。在初始瞬態(tài)期間，可能會出現(xiàn)儲能電流的異常高峰值。在前一個或兩個開關周期內，儲能電流不會反向。在這種潛在的危險情況下，我們的電容模式和硬開關操作可能在時間上極為有限。MOSFET 可能會超過最大 dv/dt 和 di/dt 額定值，從而導致故障。

使用與兩個柵極串聯(lián)的二極管和電阻器的組合來減慢電路的動態(tài)可能會防止這些故障。

1.3 電源斷線引起的硬切換

硬開關模式也可能在 SMPS 正常運行期間發(fā)生。事實上，如果主電源斷開，系統(tǒng)可能會被迫在電容模式下運行。當主電源被移除時(A 點)，驅動器固定的死區(qū)時間不足以維持感應操作。然后，由于兩個設備之間的直通，電流不斷增加。

1.4 快速負載轉換引起的硬切換

快速負載轉換引起的硬切換怎么辦?在這種情況下，系統(tǒng)可能無法足夠快地改變開關頻率;當控制系統(tǒng)試圖恢復 SMPS 的正常感應操作時，這可能會導致電容模式操作。V gs信號(紫色線)顯示了在快速負載轉換時工作頻率如何變化。圖中，電流(青色線)具有諧振 LLC 的典型形狀，在圖片中間，電壓 V ds(綠線)滯后于電流，變?yōu)殡娙菥W絡的典型電流。

結論

我們已經介紹了諧振 LLC 拓撲的特性，特別是 MOSFET 器件在系統(tǒng)運行期間的潛在故障機制。

針對這些特殊情況，意法半導體建議其專用系列 DM2 具有改進的性能。