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在LLC拓扑中,为什么选用体二极管恢复快的MOSFET?(二)

2020.10.05
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

从MOSFET角度看,如前所述,MOSFET的软开关是包括LLC在内的谐振转换器的重要优点,而对于整个系统,由于输出电流是正弦波,因此, EMI干扰降低。图4所示是LLC转换器的典型波形特性。

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图4:LLC转换器的典型波形

在图4中我们注意到,漏极电流Ids1在变正前是在负电流区摆动。负电流值表示体二极管导通。在此阶段,由于二极管上的压降,MOSFET漏源两极的电压非常小。如果MOSFET在体二极管导通期间开关,则发生ZVS开关,开关损耗降低。该特性可以缩减散热器尺寸,提高系统能效。

如果MOSFET开关频率fs小于fr1,功率器件上的电流的形状会改变。事实上,如果持续时间足以在输出二极管上产生不连续的电流,则原边电流形状会偏离正弦波形。

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图5:fs <fr1时的LLC转换器的典型波形

此外,如果MOSFET的寄生输出电容C1和C2与Cr的容值相当,则谐振频率fr也会受到器件的影响。正是由于这个原因,在设计过程中,选择Cr值大于C1和C2,可以解决这个问题,使fr值不受所用器件的影响。

3.续流和ZVS条件

分析一下谐振频率的方程式就会发现,在高于峰值增益频率时,谐振网络的输入阻抗是感抗,谐振网络的输入电流(Ip)滞后于谐振网络的输入电压(Vd)。在低于峰值增益频率时,谐振网络的输入阻抗变为容抗,并且Ip领先Vd。在电容区工作时,体二极管在MOSFET开关期间执行反向恢复操作。

当系统在电容区工作时,MOSFET会面临极大的潜在失效风险。事实上,如图6中的绿色圆圈所示,寄生体二极管的反向恢复时间变得非常重要。

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图6

根据这一点,在负载由低变高的过程中(图7),驱动电路应强制MOSFET进入ZVS和正关断电流区。如果无法保证,MOSFET的工作区可能很危险。

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图7

在低负载稳态条件下,系统工作在频率较低的谐振频率fr2附近,然后ZVS导通,并保证正关断漏极电流。在负载变化(从低到高)后,开关频率应该变成新的谐振频率。如果没有发生这种情况(如图8中绿线所示),则系统状态经过区域3(ZCS区域)和ZVS导通,正关断漏极电流不会出现。因此,当MOSFET关断时,电流也会流过寄生体二极管。

在增益图上分析一下负载从低变高的过程,我们不难发现:

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图8

黑虚线代表负载变化期间的理想路径,而绿虚线表示实际路径。在负载从低变高的过程中,可以看到系统经过ZCS区域,因此,寄生体二极管的性能变得非常重要。出于这个原因,新LLC设计的趋势是使用体二极管恢复时间非常短的功率器件。


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