提升電源系統可靠性的有效選擇

近來，LLC拓撲以其高效，高功率密度受到廣大電源設計工程師的酷愛，但是這種軟開關拓撲對MOSFET的要求卻超過了以往任何一種硬開關拓撲。特別是在電源啟機，動態負載，過載，短路等情況下。InfineonCoolMOSCFD2系列以其高擊穿電壓，快恢復體二極管，低Qg和Coss能夠完全滿足這些需求并大大提升電源系統的可靠性。

1.引言

長期以來，提升電源系統功率密度，效率以及系統的可靠性一直是研發人員面對的重大課題。提升電源的開關頻率是其中的辦法之一，但是頻率的提升會影響到功率器件的開關損耗，使得提升頻率對硬開關拓撲來說效果并不十明顯顯，硬開關拓撲已經達到了它的設計瓶頸。而此時，軟開關拓撲，如LLC拓撲以其獨具的特點受到廣大設計工程師的追捧。但是這種拓撲卻對功率器件提出了新的要求。

2.LLC電路的特點

LLC拓撲的以下特點使其廣泛的使用于各種開關電源之中：

1.LLC轉換器可以在寬負載范圍內實現零電壓開關。

2.能夠在輸入電壓和負載大范圍變化的情況下調節輸出，同時開關頻率變化相對很小。

3.采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

4.減小次級同步整流MOSFET的電壓應力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

5.無需輸出電感，可以進一步降低系統成本。

6.采用更低電壓的同步整流MOSFET,可以進一步提升效率。

3.LLC電路的基本結構以及工作原理

圖1和圖2分別給出了LLC諧振變換器的典型線路和工作波形。如圖1所示LLC轉換器包括兩個功率MOSFET(Q1和Q2)，其占空比都為0.5;諧振電容Cr,副邊匝數相等的中心抽頭變壓器Tr,等效電感Lr,勵磁電感Lm,全波整流二極管D1和D2以及輸出電容Co。

圖1LLC諧振變換器的典型線路

圖2LLC諧振變換器的工作波形

而LLC有兩個諧振頻率，Cr,Lr決定諧振頻率fr1;而Lm,Lr,Cr決定諧振頻率fr2。

系統的負載變化時會造成系統工作頻率的變化，當負載新增時，MOSFET開關頻率減小，當負載減小時，開關頻率增大。

3.1LLC諧振變換器的工作時序

LLC變換器的穩態工作原理如下。

1)〔t1,t2〕

Q1關斷，Q2開通，電感Lr和Cr進行諧振，次級D1關斷，D2開通，二極管D1約為兩倍輸出電壓，此時能量從Cr,Lr轉換至次級。直到Q2關斷。

2)〔t2,t3〕

Q1和Q2同時關斷，此時處于死區時間，此時電感Lr,Lm電流給Q2的輸出電容充電，給Q1的輸出電容放電直到Q2輸出電容的電壓等于Vin.

次級D1和D2關斷Vd1=Vd2=0,當Q1開通時該相位結束。

3)〔t3,t4〕

Q1導通，Q2關斷。D1導通，D2關斷，此時Vd2=2Vout

Cr和Lr諧振在fr1,此時Ls的電流通過Q1返回到Vin,直到Lr的電流為零次相位結束。

4)〔t4,t5〕

Q1導通，Q2關斷，D1導通，D2關斷，Vd2=2Vout

Cr和Lr諧振在fr1,Lr的電流反向通過Q1流回功率地。能量從輸入轉換到次級，直到Q1關斷該相位結束

5)〔t5,t6)

Q1,Q2同時關斷，D1,D2關斷，原邊電流I(Lr+Lm)給Q1的Coss充電，給Coss2放電，直到Q2的Coss電壓為零。此時Q2二極管開始導通。Q2開通時相位結束。

6)〔t6,t7〕

Q1關斷，Q2導通，D1關斷，D2開通，Cr和Ls諧振在頻率fr1,Lr電流經Q2回到地。當Lr電流為零時相位結束。

3.2LLC諧振轉換器異常狀態分解

以上描述都是LLC工作在諧振模式，接下來我們分解LLC轉換器在啟機，短路，動態負載下的工作情況。

3.21啟機狀態分解

通過LLC仿真我們得到如圖3所示的波形，在啟機第一個開關周期，上下管會同時出現一個短暫的峰值電流Ids1和Ids2.由于MOSFETQ1開通時會給下管Q2的輸出電容Coss充電，當Vds為高電平時充電結束。而峰值電流Ids1和Ids2也正是由于Vin通過MOSFETQ1給Q2結電容Coss的充電而出現。

圖3LLC仿真波形

我們將焦點放在第二個開關周期時如圖4,我們發現此時也會出現跟第一個開關周期類似的尖峰電流，而且峰值會更高，同時MOSFETQ2Vds也出現一個很高的dv/dt峰值電壓。那么這個峰值電流的是不是依然是Coss引起的呢?我們來做進一步的研究。

圖4第二個開關周期波形圖

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