LLC諧振變換器的工作原理

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(zhuǎn)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(shù)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1 LLC諧振變換器的典型線路

圖2 LLC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(tǒng)的負(fù)載變化時會造成系統(tǒng)工作頻率的變化，當(dāng)負(fù)載增加時， MOSFET開關(guān)頻率減小， 當(dāng)負(fù)載減小時，開關(guān)頻率增大。

1、 LLC諧振變換器的工作時序

LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

1）〔t1,t2〕

Q1關(guān)斷，Q2開通，電感Lr和Cr進(jìn)行諧振，次級D1關(guān)斷，D2開通，二極管D1約為兩倍輸出電壓，此時能量從Cr, Lr轉(zhuǎn)換至次級。直到Q2關(guān)斷。

2）〔t2,t3〕

Q1和Q2同時關(guān)斷，此時處于死區(qū)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(guān)斷 Vd1=Vd2=0, 當(dāng)Q1開通時該相位結(jié)束。

Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷。D1導(dǎo)通， D2關(guān)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(jié)束。

4）〔t4,t5〕

Q1導(dǎo)通， Q2關(guān)斷， D1導(dǎo)通， D2關(guān)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(zhuǎn)換到次級，直到Q1關(guān)斷該相位結(jié)束 。

5）〔t5,t6）

Q1,Q2同時關(guān)斷， D1,D2關(guān)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(dǎo)通。Q2開通時相位結(jié)束。

6）〔t6,t7〕

Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，D1關(guān)斷， D2 開通，Cr和Ls諧振在頻率fr1, Lr 電流經(jīng)Q2回到地。當(dāng)Lr電流為零時相位結(jié)束。

2、 LLC諧振轉(zhuǎn)換器異常狀態(tài)分析

以上描述都是LLC工作在諧振模式， 接下來我們分析LLC轉(zhuǎn)換器在啟機(jī)， 短路， 動態(tài)負(fù)載下的工作情況。

3、 啟機(jī)狀態(tài)分析

通過LLC 仿真我們得到如圖3所示的波形，在啟機(jī)第一個開關(guān)周期，上下管會同時出現(xiàn)一個短暫的峰值電流Ids1 和Ids2. 由于MOSFET Q1開通時會給下管Q2的輸出電容Coss充電，當(dāng)Vds為高電平時充電結(jié)束。而峰值電流Ids1和Ids2也正是由于Vin通過MOSFET Q1 給Q2 結(jié)電容Coss的充電而產(chǎn)生。

圖3 LLC 仿真波形

我們將焦點(diǎn)放在第二個開關(guān)周期時如圖4,我們發(fā)現(xiàn)此時也會出現(xiàn)跟第一個開關(guān)周期類似的尖峰電流，而且峰值會更高，同時MOSFET Q2 Vds也出現(xiàn)一個很高的dv/dt峰值電壓。那么這個峰值電流的是否仍然是Coss引起的呢？我們來做進(jìn)一步的研究。

圖4 第二個開關(guān)周期波形圖

對MOSFET結(jié)構(gòu)有一定了解的工程師都知道，MOSFET不同于IGBT,在MOSFET內(nèi)部其實(shí)寄生有一個體二極管，跟普通二極管一樣在截止過程中都需要中和載流子才能反向恢復(fù)， 而只有二極管兩端加上反向電壓才能夠使這個反向恢復(fù)快速完成， (https://www.dgzj.com/ 電工之家)而反向恢復(fù)所需的能量跟二極管的電荷量Qrr相關(guān)， 而體二極管的反向恢復(fù)同樣需要在體二極管兩端加上一個反向電壓。在啟機(jī)時加在二極管兩端的電壓Vd=Id2 x Ron. 而Id2在啟機(jī)時幾乎為零，而二極管在Vd較低時需要很長的時間來進(jìn)行反向恢復(fù)。如果死區(qū)時間設(shè)置不夠，如圖5所示高的dv/dt會直接觸發(fā)MOSFET內(nèi)的BJT從而擊穿MOSFET.

圖5

通過實(shí)際的測試，我們可以重復(fù)到類似的波形，第二個開關(guān)周期產(chǎn)生遠(yuǎn)比第一個開關(guān)周期高的峰值電流，同時當(dāng)MOSFET在啟機(jī)的時dv/dt高118.4V/ns. 而Vds電壓更是超出了600V的最大值。MOSFET在啟機(jī)時存在風(fēng)險。

圖6

4、 異常狀態(tài)分析

下面我們繼續(xù)分析在負(fù)載劇烈變化時，對LLC拓?fù)鋪碚f存在那些潛在的風(fēng)險。

在負(fù)載劇烈變化時，如短路，動態(tài)負(fù)載等狀態(tài)時，LLC電路的關(guān)鍵器件MOSFET同樣也面臨著挑戰(zhàn)。

通常負(fù)載變化時LLC 都會經(jīng)歷以下3個狀態(tài)。我們稱之為硬關(guān)斷， 而右圖中我們可以比較在這3個時序當(dāng)中，傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS內(nèi)部載流子變化的不同， 以及對MOSFET帶來的風(fēng)險。

時序1, Q2零電壓開通，反向電流經(jīng)過MOSFET和體二極管， 此時次級二極管D2開通，D1關(guān)段。

-傳統(tǒng)MOSFET此時電子電流經(jīng)溝道區(qū)，從而減少空穴數(shù)量

-CoolMOS此時同傳統(tǒng)MOSFET一樣電子電流經(jīng)溝道，穴減少，不同的是此時CoolMOS 的P井結(jié)構(gòu)開始建立。

時序2, Q1和Q2同時關(guān)斷，反向電流經(jīng)過MOSFETQ2體二極管。

Q1和Q2關(guān)斷時對于傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS來說內(nèi)部電子和空穴路徑和流向并沒有太大的區(qū)別。

時序3, Q1此時開始導(dǎo)通，由于負(fù)載的變化， 此時MOSFET Q2的體二極管需要很長的時間來反向恢復(fù)。當(dāng)二極管反向恢復(fù)沒有完成時MOSFET Q2出現(xiàn)硬關(guān)斷， 此時Q1開通，加在Q2體二極管上的電壓會在二極管形成一個大電流從而觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT造成雪崩。

-傳統(tǒng)MOSFET此時載流子抽出，此時電子聚集在PN節(jié)周圍， 空穴電流擁堵在PN節(jié)邊緣。

-CoolMOS的電子電流和空穴電流各行其道， 此時空穴電流在已建立好的P井結(jié)構(gòu)中流動，并無電子擁堵現(xiàn)象。

綜上， 當(dāng)LLC電路出現(xiàn)過載，短路，動態(tài)負(fù)載等條件下， 一旦二極管在死區(qū)時間不能及時反向恢復(fù)， 產(chǎn)生的巨大的復(fù)合電流會觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT使MOSFET失效。

有的 CoolMOS采用Super Juction結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)在MOSFET硬關(guān)斷的狀態(tài)下， 載流子會沿垂直構(gòu)建的P井中復(fù)合， 基本上沒有側(cè)向電流， 大大減少觸發(fā)BJT的機(jī)會。