在LLC拓扑中,为什么选用体二极管恢复快的MOSFET

在当前全球能源危机的形式下，提高电子设备的能效，取得高性能同时降低能耗，成为业内新的关注点。为顺应这一趋势，世界上许多电子厂商希望在产品规格中提高能效标准。在电源管理方面，用传统的硬开关转换器是很难达到新能效标准。因此，电源设计者已将开发方向转向软开关拓扑，以提高电源的能效，实现更高的工作频率。

LLC谐振转换器就是一种软开关拓扑，允许主功率开关管零电压开关，显著降低开关损耗，大幅提高电源能效。在这种拓扑中，为了实现ZVS开关，功率开关管的寄生体二极管必须反向恢复时间非常短。如果体二极管不能恢复全部载流子，则在负载从低到高的变化过程中，可能会发生硬开关操作，并可能导致寄生双极晶体管导通。

拓扑简介

LLC拓扑的基本半桥电路是由两个开关管组成，高边开关管(Q1)和低边开关管(Q2)通过电感Lr和电容Cr与变压器相连（见图1）。开关管与寄生体二极管（D1和D2）和寄生输出电容（C1和C2）并联，为了阐明它们在全局功能中的作用，我们在图中把它们单独标注出来。

在图1中，我们注意到多出一个Lr电感，实际上，Lr是变压器漏电感，其规则在LLC拓扑中非常重要。

如果变压器原边电感Lm值很大，不会影响谐振网络，则上图所示的转换器就是一个串联谐振转换器。

在一个谐振单元中，当输入信号频率(fi)等于谐振频率(fr)时 - 即当LC阻抗为零时，增益最大。谐振转换器工作频率范围是由两个特定的谐振频率值界定，这些频率值与电路有关。驱动控制器设定MOSFET的开关频率(fs)等于电路谐振频率，以保证谐振的重要优势。

现在我们将看到，如何通过改变负载，使谐振频率从最小值(fr2)变为最大值(fr1)：

当时，LLC就像一个串联的RC谐振腔；这种功能出现在高负载条件下，即当Lm与低阻抗并联时；当时，LLC类似于并联RC谐振腔，这功能出现在低负载条件下。系统通常不在这个区域工作，因为可以在ZCS条件下运行。如果频率fi在fr2 < fi < fr1范围内，则两个功能同时存在。

如果使用图形表示谐振单元的增益，我们就得到图3所示的曲线，不难看出，图形变化与Q值相关。

LLC谐振转换器的工作范围受限于峰值增益。值得注意的是，峰值电压增益既不发生在fr1处 ，也不出现在 fr2处。峰值增益对应的峰值增益频率是fr2与fr1之间的最大频率。随着Q值减小（随着负载减小），峰值增益频率移向fr2，并且获得更高的峰值增益。随着Q值增加（负载增加），峰值增益频率移向fr1，峰值增益下降。因此，满载应该是谐振网络设计的最差工作条件。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

MOSFET的优势

MOSFET简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

1、场效应晶体管是电压控制元件，而双极结型晶体管是电流控制元件。在只允许从取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用双极晶体管。

2、有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比双极晶体管好。

3、场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而双极结型晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。因此被称之为双极型器件。

4、场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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