瑶芯技术分享 | LLC中同步整流MOSFET应用

于 2024-08-13 16:56:16 发布
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前言

LLC谐振变换器功率器件因能实现ZVC和ZCS，且效率高、体积小能实现高功率密度，是近年来备受关注的隔离拓扑之一。在低压大电流输出的应用中，为了获取更高的效率，副边输出侧采用同步整流（synchronous rectification, SR）技术，来减少二极管整流的功率损耗，可大幅度提高重满载效率。

LLC同步整流控制方法

LLC同步整流技术关键是控制SR MOSFET驱动信号，目前市面上主流方案基本都是通过检测SR MOSFET的漏源电压来控制。常见同步整流控制IC有IFX-IR11682S、IR11688, ON-NCP430X系列,  NXP-TEA1995,TI-UCC24610，图1所示为同步整流IC NCP430X系列在LLC同步整流中的典型应用及其相关波形。

图片

图1 NCP430X系列控制方案原理图

在SR MOSFET导通之前，电流流过其体二极管。体二极管正向电压降通常在0.6-1V, 控制芯片检测到该电压并触发Vth_on，为了避免谐振产生的尖刺误触发，需经过Turn-on delay时间后再开启驱动信号。

在MOSFET导

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LLC谐振变换器详解（六）| LLC等效回路分析
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但是此时从电路的原理上是无法对R的其他值进行判断的，需要通过公式的方法来判断，可以利用前面讲的虚数，只要求出谐振回路中的电流的复数形式，即。，相当于短路Lm，等效图如图4所示，此时fr1是边界线，输入频率在fr2-fr1之间的时候，就是容性区域，大于fr1的时候就是感性区域。，所以从输入端看阻抗呈感性，谐振电路工作在我们所希望的感性状态下，该频率下，输出负载（R）与增益无关。反过来，当输入的频率在fr1右边时，Lr的感抗就比Cr的容抗大了，所以大于fr1的频率就是。，连接负载的支路相当于开路，如图3所示。
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LLC谐振变换器详解（五）| RLC回路频域分析
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根据谐振回路里面的品质因数Q的计算公式，当L与C设定好后，R越大，说明输出电压越大。的时候，容抗会变大，而感抗会变小，整个回路呈容性，回路可以等效成电感C与R的串联, 如图5所示。因此，Q的大小代表了输出负载的轻重，Q大负载重，Q小负载就小。容抗与纯电阻向量相加，根据平行四边形法则，箭头指的就是最后的阻抗在Y轴的负半轴，所以整个回路的阻抗是。频率越大的时候，感抗就越大，而R不变，根据分压原理，UL越大，UR越小。这个频率的时候，感抗会变大，而容抗会变小，整个回路呈感性，回路可以。
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LLC谐振变换器详解（四）| 谐振电路基础
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根据电感的特性， U=L*di/dt，di是电感上面变化的电流，dt是变化的时间。如果输入是一个纯正弦输入的电压，那么电流与电压有一个90°的相位差，如图2所示，电流在过0的时候是整个正弦中变化斜率最大的，而电流在最顶峰时变化斜率为0。所以对于电感而言，电流是滞后电压90°的。当X=0时，即XL的大小与XC的大小相等，因为感抗与容抗的相位相差180°——呈反相关系，所以电路的电抗X=0。如图3所示，在直角坐标系中，1Ω与j1Ω相差90°，1Ω是纯阻，而j1是超前90°，所以j100是在Y轴的正半轴。
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LLC谐振变换器详解（三）| 谐振变换器衍变
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图4为LLC拓扑等效电路模型，也即把前面的方波发生器看成一个简单的方波电源，把变压器去掉，仅保留其电感，通过简单的折算关系将变换器后半部分等效成一个电阻Ro。等优点，但是其效率没有分立的高，且由于制造工艺的差异，集成变压器漏感的差异也较大，难以精准把控。Cr是谐振电容，谐振电容是与Lr一起起到谐振作用的需要用专业的变压器骨架来绕制的Lm是变压器原边电感，也叫。，半桥开关是由MOSFET Q1和Q2组成的，Ds1和Ds2为MOSFET寄生的体二极管，Cds1和Cds2为其寄生电容。
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LLC谐振变换器详解（二）| 谐振拓扑比较
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为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使得开关器件在零电压或者零电流条件下开通或者关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。此时时电路的阻抗为最小值R，此时电路总电压主要加在电阻上，电流达到最大值，电路呈现纯电阻性，电流与电压同相位。由于谐振腔是不参与功率转换的，其阻抗很高的话，则谐振腔里的能量更高，这部分能量纯粹在做环流交换（返回到输入端，无功），而且增加了MOSFET的电流应力。,发生谐振时电路的导纳最小，等效阻抗最大，在激励电流一定时，电压的有效值最大。
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LLC谐振变换器详解（一）| 谐振变换器介绍
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在开关管关断前，通过控制策略使流过开关管的电流逐渐减小至零，然后在电流为零的时刻施加关断信号，此时开关管以极小的损耗关断。在开通时，也是确保电流为零的时刻进行开通操作，这样可以减少开通时的电流冲击。近年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的性能不断提升，以及平板电视等电子设备对高效、小型化电源的需求急剧增加，LLC谐振变换器才开始受到广泛关注，并逐渐成为一种主流的拓扑结构。，通过谐振电路或其他控制手段，使开关管两端的电压谐振到零，然后在电压为零的时刻施加导通信号，此时开关管以极小的损耗开通。
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电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过二极管Da1流到直流侧电容C1，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(a)所示。电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过开关管Sa1和开关管Sa2的反向二极管流到直流侧中点N，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(b)所示。通态损耗的产生是由电流正向流经IGBT 或者FRD上产生一定的压降，损耗就是正向电流和器件两端正向压降的乘积，开关损耗和反向恢复损耗则是跟开关过程中的直流电压和开关电流有关。
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瑶芯产品介绍 | 第三代 T系列IGBT ，大幅提高家电和工业设备效率
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即上管打开时，下管的Vce会突然上升，从而因米勒电荷Qgc充电，带动Vge突然上升，超过Vth时IGBT就会逐渐打开。在一定短路能力的前提下，650V 75A S3 T系列单管的性能得到进一步提高，使系统具有。在家电中应用越来越广泛，同时工业设备的大型电源也需要降低功耗，因此对高效开关器件的需求也在不断增长。虽然这种解决方案会导致IGBT在开关过程中的损耗增加，但由于此类开关频率低，增加的损耗并不高。，这与大多数电机应用相匹配，且相较于650V 75A S3 H系列单管，该产品的Vcesat。
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1200V G4.5平台产品在各个温度工况下，导通电阻均低于G4平台同规格产品，在常温状态下导通电阻下降了9%，在175℃高温状态下，电阻下降了3%，导通电阻值降低意味着器件的静态功耗会更小，可选择的功率应用范围更广。在实际应用中，功率器件的导通电阻并非一成不变，通常规格书中器件导通电阻典型值指的是常温状态下器件的导通电阻，而在大功率应用场合，器件通常会工作在更高的结温下，因此，需要知道器件在高温下的导通电阻表现。图3 AKS SiC MOSFETs 归一化FOM：G4 vs. G4.5 vs. G5。
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此外，采用Toll封装的新一代SJ MOSFET，通过额外的开尔文连接，不仅优化了外围电路的设计，而且不受源级寄生杂感的影响，减小了栅极振铃以及避免了环路相互干扰的问题，进一步提升了产品的稳定性。为代表的SJ MOSFET，相比上一代栅电荷（QG）下降了20％，Coss减小了40%，关断时间（TOFF）减少了60％，大幅减小寄生参数带来的损耗，提升系统效率。，使得在较小的TOLL封装里能容纳更小的电阻规格，满足应用设计人员对更高功率密度的需求，并且实现了优异的电学性能。系列的SJ MOSFET。
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在反激变换器应用中，由于变压器漏感的原因，MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰，电压尖峰主要由输入电压+输出反射电压+漏感感应电压组成，这时需要考虑雪崩能量，必要时，需加一些防护措施(如加强RCD钳位电路、RC吸收电路等)，保证MOSFET不被损坏。在电源输出短路及过载测试时，在原边电感中瞬间产生大电流比变化，极端情况下会电感饱和，当电感电流触发设定的阈值并且立即关断MOSFET，此时较大的di/dt，在寄生电容的作用下使得寄生三极管导通，可能导致雪崩损坏。的雪崩主要涉及在特定条件下（如高电压或大电流）
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主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。随着Vds电压不断的降低，Vgd的电压绝对值也不断的降低， Vgd的电压由负变为0，然后开始正向增加。米勒平台电压，由系统的。，是MOSFET的重要参数之一，一般简单标记为Vth，定义为可以在源极和漏极之间形成导电沟道的最小栅极偏压。
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主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。感应出电压使得电流从次级绕组流出时，同步整流 MOSFET 的驱动电路会控制 MOSFET 导通，此时电流通过 MOSFET 流通，由于 MOSFET 的导通电阻很小，从而大大降低了导通损耗，提高了电源的效率，如图2所示。
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