提升开关电源效率和可靠性:半桥谐振LLC+CoolMOS开关管!

发布日期:2018-04-11 23:31,查看次数:126

近来, LLC拓扑以其高效,高功率密度受到广大电源设计工程师的青睐,但是这种软开关拓扑对MOSFET的要求却超过了以往任何一种硬开关拓扑。特别是在电源启机,动态负载,过载,短路等情况下。CoolMOS 以其快恢复体二极管,低Qg 和Coss能够完全满足这些需求并大大提升电源系统的可靠性。

长期以来, 提升电源系统功率密度,效率以及系统的可靠性一直是研发人员面临的重大课题。 提升电源的开关频率是其中的方法之一, 但是频率的提升会影响到功率器件的开关损耗,使得提升频率对硬开关拓扑来说效果并不十分明显,硬开关拓扑已经达到了它的设计瓶颈。而此时,软开关拓扑,如LLC拓扑以其独具的特点受到广大设计工程师的追捧。但是… 这种拓扑却对功率器件提出了新的要求。

2. LLC 电路的特点

LLC 拓扑的以下特点使其广泛的应用于各种开关电源之中:

1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2. 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出,同时开关频率变化相对很小。

3. 采用频率控制,上下管的占空比都为50%.

4. 减小次级同步整流MOSFET的电压应力,可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。

5. 无需输出电感,可以进一步降低系统成本。

6. 采用更低电压的同步整流MOSFET, 可以进一步提升效率。

3. LLC 电路的基本结构以及工作原理

图1和图2分别给出了LLC谐振变换器的典型线路和工作波形。如图1所示LLC转换器包括两个功率MOSFET(Q1和Q2),其占空比都为0.5;谐振电容Cr,副边匝数相等的中心抽头变压器Tr,等效电感Lr,励磁电感Lm,全波整流二极管D1和D2以及输出电容Co。

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图1 LLC谐振变换器的典型线路

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图2 LLC谐振变换器的工作波形

而LLC有两个谐振频率,Cr, Lr 决定谐振频率fr1; 而Lm, Lr, Cr决定谐振频率fr2。

系统的负载变化时会造成系统工作频率的变化,当负载增加时, MOSFET开关频率减小, 当负载减小时,开关频率增大。

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3.1 LLC谐振变换器的工作时序

LLC变换器的稳态工作原理如下。

1)〔t1,t2〕

Q1关断,Q2开通,电感Lr和Cr进行谐振,次级D1关断,D2开通,二极管D1约为两倍输出电压,此时能量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关断。

2)〔t2,t3〕

Q1和Q2同时关断,此时处于死区时间, 此时电感Lr, Lm电流给Q2的输出电容充电,给Q1的输出电容放电直到Q2输出电容的电压等于Vin.

次级D1和D2关断 Vd1=Vd2=0, 当Q1开通时该相位结束。

3)〔t3,t4〕

Q1导通,Q2关断。D1导通, D2关断, 此时Vd2=2Vout

Cr和Lr谐振在fr1, 此时Ls的电流通过Q1返回到Vin,直到Lr的电流为零次相位结束。

4)〔t4,t5〕

Q1导通, Q2关断, D1导通, D2关断,Vd2=2Vout

Cr和Lr谐振在fr1, Lr的电流反向通过Q1流回功率地。 能量从输入转换到次级,直到Q1关断该相位结束

5)〔t5,t6)

Q1,Q2同时关断, D1,D2关断, 原边电流I(Lr+Lm)给Q1的Coss充电, 给Coss2放电, 直到Q2的Coss电压为零。 此时Q2二极管开始导通。 Q2开通时相位结束。

6)〔t6,t7〕

Q1关断,Q2导通,D1关断, D2 开通,Cr和Ls谐振在频率fr1, Lr 电流经Q2回到地。 当Lr电流为零时相位结束。


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