提升开关电源效率和可靠性：半桥谐振LLC+CoolMOS开关管！

　　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。CoolMOS 以其快恢复体二极管 ，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。
　　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临的重大课题。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。
　　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。
　　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1 LLC谐振变换器的典型线路

　　图2 LLC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，当负载增加时， MOSFET开关频率减小， 当负载减小时，开关频率增大。

　　1 .LLC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。
　　2.LLC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。
　　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MOSFET Q1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MOSFET Q1给Q2结电容Coss的充电而产生。

　　图3 LLC 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个开关周期类似的尖峰电流，而且峰值会更高，同时MOSFET Q2 Vds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
　　对MOSFET结构有一定了解的工程师都知道，MOSFET不同于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一个体二极管，跟普通二极管一样在截止过程中都需要中和载流子才能反向恢复， 而只有二极管两端加上反向电压才能够使这个反向恢复快速完成，而反向恢复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相关，而体二极管的反向恢复同样需要在体二极管两端加上一个反向电压。
　　在启机时加在二极管两端的电压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在启机时几乎为零，而二极管在Vd较低时需要很长的时间来进行反向恢复。如果死区时间设置不够，如图5所示高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT从而击穿 MOSFET。

　　图5高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT从而击穿 MOSFET
　　通过实际的测试 ，我们可以重复到类似的波形，第二个开关周期产生远比个开关周期高的峰值电流，同时当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns. 而Vds电压更是超出了600V的值。MOSFET在启机时存在风险。
　　图6实际测试的波形

　　异常状态分析
　　下面我们继续分析在负载剧烈变化时，对LLC拓扑来说存在那些潜在的风险。

　　在负载剧烈变化时，如短路，动态负载等状态时，LLC电路的关键器件MOSFET同样也面临着挑战。
　　通常负载变化时LLC 都会经历以下3个状态。我们称之为硬关断， 而右图中我们可以比较在这3个时序当中，传统MOSFET和CoolMOS内部载流子变化的不同， 以及对MOSFET带来的风险。
　　时序1, Q2零电压开通，反向电流经过MOSFET和体二极管， 此时次级二极管D2开通，D1关段。
　　-传统MOSFET此时电子电流经沟道区，从而减少空穴数量。
　　-CoolMOS此时同传统MOSFET一样电子电流经沟道，穴减少，不同的是此时CoolMOS 的P井结构开始建立。

　　时序2, Q1和Q2同时关断，反向电流经过MOSFETQ2体二极管。
　　Q1和Q2关断时对于传统MOSFET和CoolMOS来说内部电子和空穴路径和流向并没有太大的区别。

　　时序3, Q1此时开始导通，由于负载的变化，此时MOSFET Q2的体二极管需要很长的时间来反向恢复。当二极管反向恢复没有完成时MOSFET Q2出现硬关断，此时Q1开通，加在Q2体二极管上的电压会在二极管形成一个大电流从而触发MOSFET内部的BJT造成雪崩。
　　-传统MOSFET此时载流子抽出，此时电子聚集在PN节周围， 空穴电流拥堵在PN节边缘。
　　-CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道， 此时空穴电流在已建立好的P井结构中流动，并无电子拥堵现象。
　　综上， 当LLC电路出现过载，短路，动态负载等条件下，一旦二极管在死区时间不能及时反向恢复， 产生的巨大的复合电流会触发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。
　　有的 CoolMOS采用Super Juction结构，这种结构在MOSFET硬关断的状态下，载流子会沿垂直构建的P井中复合， 基本上没有侧向电流， 大大减少触发BJT的机会。
　　如何更容易实现ZVS
　　通过以上的分析，可以看到增加MOSFET的死区时间，可以提供足够的二极管反向恢复时间同时降低高dv/dt, di/dt 对LLC电路造成的风险。但是增加死区时间是的选择么？下面我们进一步分析如何够降低风险提升系统效率。

　　图7
　　对于LLC 电路来说死区时间的初始电流为

　　而LLC能够实现ZVS必须满足

　　而励磁电感为

　　根据以上3个等式，我们可以通过以下三种方式让LLC实现ZVS。
　　， 增加Ipk。
　　第二， 增加死区时间。
　　第三， 减小等效电容Ceq即Coss。
　　从以上几种状况，我们不难分析出。增加Ipk会增加电感尺寸以及成本，增加死区时间会降低正常工作时的电压，而的选择无疑是减小Coss,因为减小无须对电路做任何调整，只需要换上一个Coss相对较小MOSFET即可。