华为手机mete30_干货 | LLC拓扑中，为什么选用体二极管恢复快的MOSFET

LLC谐振转换器在软开关拓扑中允许主功率开关管理零电压开关，显着减小开关损耗并且显着提高功率效率。 在这种拓扑中，功率开关管的寄生二极管需要非常短的反向恢复时间来实现ZVS开关。 如果整流二极管不能恢复整个载波，则在从低负载到高负载的改变过程中，可能发生硬开关操作，并且寄生双极晶体管导通。

电信设备电源、大型计算机/服务器、电焊机、钢材切割机等消费应用市场对电力密度的需求每年都在增加。 提高功率密度，必须减少元件数量，减少功耗，减小散热器和无源元件的尺寸。 当前，硬开关半桥是其应用的典型拓扑，而LLC谐振半桥是一种新的替代方案。 LLC拓扑可保证导通前的开关管电压为零(或截止期间开关管电流为零)，消除每次开关时电流和电压重叠引起的功率损失。

在高频应用中采用此开关技术能够降低开关损耗，且有助于无源装置的小型化。 显然，降低开关功率损耗可能在应用设计中选择较小尺寸的散热器。 零电压条件的产生是由于MOSFET寄生二极管导通所致。 在负载急剧变化的过程中，当MOSFET从零电压开关切换为零电流开关时，如果dv/dt的值高，则寄生双极晶体管导通，使MOSFET烧损。

拓扑概述

LLC拓扑的基本半桥电路由2个开关管构成，高侧开关管( Q1)和低侧开关管( Q2)经由电感Lr和电容器Cr与变压器连接(参照图1 )。 开关管与寄生二极管( D1和D2)和寄生输出电容器( C1和C2)并联连接，为了明确它们在全局功能中的作用，在图中分别进行了标记。

在图1中，我们注意到Lr电感较多，而实际上，Lr是变压器的漏电电感，其规则在LLC拓扑中非常重要。

图1:LLC半桥电路

变压器一边的电感Lm的值大，对谐振网络没有影响时，上图所示的变换器是串联谐振变换器。

图2

在一个谐振单元中，如果输入信号的频率( fi )等于谐振频率( fr )，即，LC阻抗为零，则增益为最大。 谐振转换器的工作频率范围由与电路有关的两个特定的谐振频率值规定。 驱动控制器将MOSFET的开关频率( fs )设定为与电路谐振频率相等，确保谐振的重要优点。

让我们来看一下改变负载，将谐振频率从最小值( fr2)变为最大值( fr1)的方法

使变质

LLC就像一个RC谐振器。这种功能在Lm并联连接到低阻抗的高负载条件下出现

此时，LLC类似于并行RC谐振器，并且该功能在低负载条件下出现。 系统通常以ZCS运行，因此不能在此区域运行。 如果频率fi在fr2 < fi < fr1的范围内，则两个功能同时存在。

用曲线图表示谐振单元的增益，得到图3所示的曲线，发现曲线图的变化与q值相关。

图3

LLC谐振转换器的操作范围被限制为峰值增益。 应注意，峰值电压增益既不会在fr1中也不会在fr2中产生。 与峰值增益对应的峰值增益频率是fr2与fr1之间的最大频率。 随着q值减小(随着负载减小)，峰值增益频率偏移到fr2且可获得较高峰值增益。 随着q值增加(负载增加)，峰值增益频率偏移到fr1且峰值增益减小。 因此，满载应是谐振网络设计的最差工作条件。

如先前所描述，从MOSFET的角度来看，MOSFET的软开关是包括LLC的谐振转换器的重要优点，但在整个系统中，输出电流为正弦波以减少EMI噪声。 图4示出LLC转换器的典型波形特性。

图4:LLC转换器的一般波形

在图4中，可知漏极电流Ids1为正之前在负电流域中振荡。 负电流值表示体二极管导通。 在此阶段，由于二极管中的电压降，MOSFET的漏极-源极之间的电压非常小。 如果MOSFET在体二极管导通的期间进行开关，则会发生ZVS开关，开关损失会降低。 此特性可以减小散热片的大小并提高系统的能效。

MOSFET的开关频率fs小于fr1时，功率器件上的电流形状发生变化。 实际上，如果存在足够的时间来在输出二极管中产生不连续的电流，则原始电流形状偏离正弦波形状。

图5:fs