【導讀】LLC的優(yōu)勢之一就是能夠在比較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊MOSFET的零電壓開通(ZVS),MOSFET的開通損耗理論上就降為零了。
LLC的優(yōu)勢之一就是能夠在比較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊MOSFET的零電壓開通(ZVS),MOSFET的開通損耗理論上就降為零了。要保證LLC原邊MOSFET的ZVS,需要滿足以下三個基本條件:
1)上下開關(guān)管50%占空比,1800對稱的驅(qū)動電壓波形;
2)感性諧振腔并有足夠的感性電流;
3)要有足夠的死區(qū)時間維持ZVS。
圖a)是典型的LLC串聯(lián)諧振電路。圖b)是感性負載下MOSFET的工作波形。由于感性負載下,電流相位上會超前電壓,因此保證了MOSFET運行的ZVS。要保證MOSFET運行在感性區(qū),諧振電感上的諧振電流必須足夠大,以確保MOSFET源漏間等效的寄生電容上存儲的電荷可以在死區(qū)時間內(nèi)被完全釋放干凈。
當原邊的MOSFET都處于關(guān)斷狀態(tài)時,串聯(lián)諧振電路中的諧振電流會對開關(guān)管MOSFET的等效輸出電容進行充放電。MOSFET都關(guān)斷時的等效電路如下圖所示:
通過對上圖的分析,可以得出需要滿足ZVS的兩個必要條件,如下:
公式看上去雖然簡單,然而一個關(guān)于MOSFET等效輸出電容Ceq的實際情況,就是MOSFET的等效寄生電容是源漏極電壓Vds的函數(shù),之前的文章對于MOSFET的等效寄生電容進行過詳細的理論和實際介紹。,也就是說,等效電容值的大小會隨著Vds的變化而變化。如下圖所示,以Infineon的IPP60R190P6為例:
LLC串聯(lián)諧振電路MOSFET的Vds放電過程分為四個階段,如下圖所示, (I) 380V-300V; (II) 300V-200V; (III) 200V-100V; (IV)100V-0V。
從圖中可以看出,(I)和(IV)兩部分占據(jù)了Vds放電時間的將近2/3,此時諧振腔的電感電流基本不變。這兩部分之所以占據(jù)了Vds放電的大部分時間,主要原因在于當Vds下降到接近于0的時候,MOFET源漏間的寄生電容Coss會指數(shù)的增加。因此要完全釋放掉這一部分的電荷,需要更長的LLC諧振周期和釋放時間。
因此選擇合適的MOSFET(足夠小的等效寄生電容),對于ZVS的實現(xiàn)至關(guān)重要,尤其是當Vds接近于0的時候,等效輸出電容要足夠小,這樣還可以進一步降低死區(qū)時間并提高LLC的工作效率。
下圖進一步說明如何選擇合適的ZVS方案。
圖(a):理想的ZVS波形;
圖(b):Vds還沒下降到0,Vgs已經(jīng)出現(xiàn)。此種情況下,LLC串聯(lián)諧振就會發(fā)生硬開關(guān)。應對之策需要減少變壓器的勵磁電流,或者適當增加死區(qū)時間(如果IC選定,死區(qū)時間一般就固定了);
圖(c):實現(xiàn)了ZVS,但是諧振腔的電流不足以維持MOSFET體內(nèi)二極管的持續(xù)導通。
圖(d)死區(qū)時間過于長了,會降低整個LLC的工作效率。
總之,MOSFET的等效輸出電容對于LLC原邊MOSFET ZVS的實現(xiàn)是至關(guān)重要的。如果MOSFET已經(jīng)選定,諧振腔需要仔細計算、調(diào)試和設(shè)定,并選取合適的死區(qū)時間,來覆蓋所有負載的應用范圍。實際應用中對于穩(wěn)態(tài)運行的硬開關(guān)都可以通過設(shè)計進行修正從而達到穩(wěn)定運行的設(shè)計目的。然而開機過程中的硬開關(guān)(軟啟高頻到低頻過程中),尤其是開機過程中的頭幾個開關(guān)周期,對于有些設(shè)計和方案,硬開關(guān)是避免不了的。