提升电源系统可靠性的有效选择

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。InfineonCoolMOSCFD2系列以其高击穿电压，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。

1.引言

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对的重大课题。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。

图1LLC谐振变换器的典型线路

图2LLC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，当负载新增时，MOSFET开关频率减小，当负载减小时，开关频率增大。

3.1LLC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。

3.2LLC谐振转换器异常状态分析

以上描述都是LLC工作在谐振模式，接下来我们分析LLC转换器在启机，短路，动态负载下的工作情况。

3.21启机状态分析

通过LLC仿真我们得到如图3所示的波形，在启机第一个开关周期，上下管会同时出现一个短暂的峰值电流Ids1和Ids2.由于MOSFETQ1开通时会给下管Q2的输出电容Coss充电，当Vds为高电平时充电结束。而峰值电流Ids1和Ids2也正是由于Vin通过MOSFETQ1给Q2结电容Coss的充电而出现。

图3LLC仿真波形

我们将焦点放在第二个开关周期时如图4,我们发现此时也会出现跟第一个开关周期类似的尖峰电流，而且峰值会更高，同时MOSFETQ2Vds也出现一个很高的dv/dt峰值电压。那么这个峰值电流的是否仍然是Coss引起的呢?我们来做进一步的研究。

图4第二个开关周期波形图