选择半桥谐振 LLC 转换器和初级侧 MOSFET 时的设计注意事项

减少碳排放：很少有人质疑减少碳排放的必要性，但挑战需要不断提高所有相关电子系统的效率。为这些系统供电的电源必须满足三个要求：更高的效率、更高的功率密度和更高的组件密度。如何?通过应用具有降低功耗的电气配置。

在几种类型的开关模式电源中，具有 LLC 半桥配置的谐振电源转换器因其固有的实现更高效率(更低开关损耗)和增加开关频率的能力而受到广泛关注。在这些拓扑中选择正确的功率 MOSFET 是一项具有挑战性的任务——特定的操作模式引入了低开关损耗和高可靠性等限制，必须同时满足这些限制。

我们将了解谐振 LLC 拓扑的特性，特别是 MOSFET 器件在系统运行期间的潜在故障机制。

LLC 谐振半桥转换器：拓扑和特性

LLC 谐振半桥转换器的基本拓扑的电路由以下部分组成：

方波发生器

两个功率 MOSFET Q 1(高端)和 Q 2(低端)被配置为产生单极方波电压。

谐振槽

谐振网络由一个电容 C r和两个电感 L r和 L m构成。除了增加电感器 Lm 之外，LLC 谐振转换器看起来与 LC 串联谐振转换器 (SRC) 非常相似。

整流器和滤波器

整流器由转换器的次级侧、两个用于全波整流的二极管和一个输出电容器 C o 组成，用于平滑负载 R L的整流电压。

经过多年的研究，各种方法和技术已被用于 LLC 转换器的分析和建模。

我们看到 LLC 谐振转换器的工作区域分为两个主要开关类型区域：ZCS 区域和 ZVS 区域。在第一区域 (ZCS) 中，与谐振回路中的电压信号相比，电流信号延迟时发生转换。该行为是电容模式。电压信号延迟的第二个区域 (ZVS) 会出现相反的行为。当转换器以高于谐振频率 f r1的频率进行切换时，它始终在 ZVS 模式下运行。当转换器以低于谐振频率 f r2的频率进行切换时，它始终在 ZCS 模式下运行。当转换器在谐振频率 f r1和 f r2之间的频率上切换时，负载条件决定了转换器是在 ZVS 还是 ZCS 模式下运行。在正常工作条件下，LLC 谐振转换器的工作高于但非常接近谐振频率 f r1，这是获得高效率的最佳工作点。

当开关频率等于谐振频率时，增益曲线都收敛于单位点;换句话说，这个单位增益点是与负载无关的，只要输入电压相同，在该点工作的转换器对于任何级别的输出功率都不需要改变其开关频率。

1 LLC 谐振 HB 中的非标准操作 1.1 电容区域操作

我们已经看到 MOSFET 的电容区域代表了一个危险的工作区域。一个例子是当系统在低负载下工作在稳定状态时。在这种情况下，系统的频率接近较低的谐振频率，并且获得了 ZVS。

现在，想象一下负载从低值变为高值：开关频率应遵循新的谐振频率，如果没有发生这种情况，我们可能会在区域 3 内过渡。

当电流通过体二极管循环时，MOSFET 关闭，并且由于拮抗 MOSFET 开启，体二极管可能发生恢复。

在这种情况下，由于导电体二极管的电流和电压，会产生额外的功耗。

如果两个 MOSFET 同时导通，半桥拓扑可能会出现致命的击穿情况。一般来说，在体二极管的恢复期间，我们可能会出现大而充满活力的正电流尖峰。

有几种解决方案可以降低这种风险。例如，能够管理死区时间或适当网络电路的专用栅极驱动器控制器可以增加死区时间或提供更高的 R门值。此外，芯片制造商现在正在推出恢复时间更短的专用 MOSFET 器件。一个恰当的例子：STMicroelectronics 凭借其 MDmesh™ DM2 MOSFET 技术，为客户提供稳健的解决方案，并在体二极管的恢复时间方面具有增强的性能。MDmesh™ DM2 技术保证恢复时间低于 200ns。

正如我们之前讨论过的，谐振转换器可以在电容或电感区域内运行。

当系统工作在感性区域时，开关处于 ZVS。在主开关从 ON 状态变为 OFF 状态的过渡期间，其电流 I p具有正值(紫色区域)并从漏极流向源极。如果系统工作在电容区域，则操作发生在 ZCS。在这种情况下，(米色区域)主开关上的电流从源极流向漏极，也涉及 MOSFET 结构上的物理二极管。

LLC 系统可能会遇到电容模式操作，例如，在两种情况下：

1.1.1 软电容模式：

当储能电流相位逐渐接近零时会发生这种情况，例如在输入电压变低时以最大负载断电时。通常在这种情况下，谐振控制器(如 STMicroelectronics 的 L6699A (2))具有高级保护功能(抗电容模式)，可以像过载一样提高开关频率，从而提高储能电流相位。

1.1.2 硬电容模式

当储能电流相位从一个周期到另一个周期变为零或为负时，就会发生这种情况，就像输出短路的情况一样。

在这种情况下，MOSFET 关闭，转换器停止，并且没有硬开关发生。

1.2 启动时的硬切换

在启动过程中，ZVS 条件可能会丢失，导致 MOSFET 硬开关，并出现巨大的二极管反向恢复电流。在启动时，谐振电容器两端的电压最初会放电，并且在充电到稳态值 Vin/2 之前需要多个开关周期。在初始瞬态期间，可能会出现储能电流的异常高峰值。在前一个或两个开关周期内，储能电流不会反向。在这种潜在的危险情况下，我们的电容模式和硬开关操作可能在时间上极为有限。MOSFET 可能会超过最大 dv/dt 和 di/dt 额定值，从而导致故障。

使用与两个栅极串联的二极管和电阻器的组合来减慢电路的动态可能会防止这些故障。

1.3 电源断线引起的硬切换

硬开关模式也可能在 SMPS 正常运行期间发生。事实上，如果主电源断开，系统可能会被迫在电容模式下运行。当主电源被移除时(A 点)，驱动器固定的死区时间不足以维持感应操作。然后，由于两个设备之间的直通，电流不断增加。

1.4 快速负载转换引起的硬切换

快速负载转换引起的硬切换怎么办?在这种情况下，系统可能无法足够快地改变开关频率;当控制系统试图恢复 SMPS 的正常感应操作时，这可能会导致电容模式操作。V gs信号(紫色线)显示了在快速负载转换时工作频率如何变化。图中，电流(青色线)具有谐振 LLC 的典型形状，在图片中间，电压 V ds(绿线)滞后于电流，变为电容网络的典型电流。

结论

我们已经介绍了谐振 LLC 拓扑的特性，特别是 MOSFET 器件在系统运行期间的潜在故障机制。

针对这些特殊情况，意法半导体建议其专用系列 DM2 具有改进的性能。