LLC串聯(lián)諧振工作原理與電路- MOSFET電容在LLC串聯(lián)諧振電路中的作用-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-17
電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容。
電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個(gè)電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認(rèn)為：孤立導(dǎo)體與無窮遠(yuǎn)處構(gòu)成電容，導(dǎo)體接地等效于接到無窮遠(yuǎn)處，并與大地連接成整體。
電容（或稱電容量）是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。電容從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)，可能電荷會永久存在，這是它的特征，它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補(bǔ)償、充放電、儲能、隔直流等電路中。
上圖分別給出了 LLC 諧振變換器的電路圖和工作波形。圖1中包括兩個(gè)功率 MOSFET（S1 和S2），其占空比都為0.5；諧振電容 Cs，副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器 Tr，Tr 的漏感Ls，激磁電感 Lm，Lm 在某個(gè)時(shí)間段也是一個(gè)諧振電感，因此，在 LLC諧振變換器中的諧振元件主要由以上3個(gè)諧振元件構(gòu)成，即諧振電容 Cs，電感 Ls 和激磁電感 Lm；半橋全波整流二極管 D1 和 D2，輸出電容 Cf。LLC 變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下：
（1）（t1，t2）當(dāng)t=t1 時(shí)，S2 關(guān)斷，諧振電流給S1的寄生電容放電，一直到S1上的電壓為零，然后S1 的體內(nèi)二級管導(dǎo)通。此階段D1導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。
（2）（t2，t3）當(dāng)t=t2 時(shí)，S1在零電壓的條件下導(dǎo)通，變壓器原邊承受正向電壓；D1繼續(xù)導(dǎo)通，S2及D2 截止。此時(shí) Cs和Ls參與諧振，而Lm不參與諧振。
（3）（t3，t4）當(dāng)t=t3 時(shí)，S1仍然導(dǎo)通，而 D1與D2 處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr 副邊與電路脫開，此時(shí)Lm，Ls和 Cs 一起參與諧振。實(shí)際電路中 Lm>>Ls,因此，在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。
（4）（t4，t5）當(dāng)t=t4 時(shí)，S1關(guān)斷，諧振電流給S2的寄生電容放電，一直到S2上的電壓為零，然后S2 的體內(nèi)二級管導(dǎo)通。此階段 D2 導(dǎo)通，Lm 上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有 Ls 和Cs 參與諧振。
（5）（t5，t6）當(dāng)t=t5 時(shí)，S2 在零電壓的條件下導(dǎo)通，Tr 原邊承受反向電壓；D2繼續(xù)導(dǎo)通，而S1和D1 截止。此時(shí)僅 Cs和Ls 參與諧振，Lm上的電壓被輸出電壓箝位，而不參與諧振。
（6）（t6，t7）當(dāng) t=t6 時(shí)，S2仍然導(dǎo)通，而D1和D2處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr 副邊與電路脫開，此時(shí) Lm，Ls和Cs 一起參與諧振。實(shí)際電路中Lm>>Ls，因此，在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。
LLC串聯(lián)諧振電路，根據(jù)電路原理，電感電容串聯(lián)或并聯(lián)可以構(gòu)成諧振電路，使得在電源為直流電源時(shí)，電路中得電流按照正弦規(guī)律變化。由于電流或電壓按正弦規(guī)律變化，存在過零點(diǎn)，如果此時(shí)開關(guān)器件開通或關(guān)斷，產(chǎn)生的損耗就為零。下邊就分析目前所使用的LLC諧振半橋電路。基本電路如下圖所示：
其中Cr，Lr，Lm構(gòu)成諧振腔（Resonant?tank），即所謂的LLC，Cr起隔直電容的作用，同時(shí)平衡變壓器磁通，防止飽和。
LLC的優(yōu)勢之一就是能夠在比較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊MOSFET的零電壓開通（ZVS），MOSFET的開通損耗理論上就降為零了。要保證LLC原邊MOSFET的ZVS，需要滿足以下三個(gè)基本條件：
1）上下開關(guān)管50%占空比，1800對稱的驅(qū)動電壓波形；
2）感性諧振腔并有足夠的感性電流；
3）要有足夠的死區(qū)時(shí)間維持ZVS。
圖a)是典型的LLC串聯(lián)諧振電路。圖b)是感性負(fù)載下MOSFET的工作波形。由于感性負(fù)載下，電流相位上會超前電壓，因此保證了MOSFET運(yùn)行的ZVS。要保證MOSFET運(yùn)行在感性區(qū)，諧振電感上的諧振電流必須足夠大，以確保MOSFET源漏間等效的寄生電容上存儲的電荷可以在死區(qū)時(shí)間內(nèi)被完全釋放干凈。
當(dāng)原邊的MOSFET都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)諧振電路中的諧振電流會對開關(guān)管MOSFET的等效輸出電容進(jìn)行充放電。MOSFET都關(guān)斷時(shí)的等效電路如下圖所示：
通過對上圖的分析，可以得出需要滿足ZVS的兩個(gè)必要條件，如下：
公式看上去雖然簡單，然而一個(gè)關(guān)于MOSFET等效輸出電容Ceq的實(shí)際情況，就是MOSFET的等效寄生電容是源漏極電壓Vds的函數(shù)，之前的文章對于MOSFET的等效寄生電容進(jìn)行過詳細(xì)的理論和實(shí)際介紹。，也就是說，等效電容值的大小會隨著Vds的變化而變化。如下圖所示，以Infineon的IPP60R190P6為例：
LLC串聯(lián)諧振電路MOSFET的Vds放電過程分為四個(gè)階段，如下圖所示， (I) 380V-300V; (II) 300V-200V; (III) 200V-100V; (IV)100V-0V。
從圖中可以看出，(I)和(IV)兩部分占據(jù)了Vds放電時(shí)間的將近2/3，此時(shí)諧振腔的電感電流基本不變。這兩部分之所以占據(jù)了Vds放電的大部分時(shí)間，主要原因在于當(dāng)Vds下降到接近于0的時(shí)候，MOFET源漏間的寄生電容Coss會指數(shù)的增加。因此要完全釋放掉這一部分的電荷，需要更長的LLC諧振周期和釋放時(shí)間。
因此選擇合適的MOSFET(足夠小的等效寄生電容)，對于ZVS的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，尤其是當(dāng)Vds接近于0的時(shí)候，等效輸出電容要足夠小，這樣還可以進(jìn)一步降低死區(qū)時(shí)間并提高LLC的工作效率。
下圖進(jìn)一步說明如何選擇合適的ZVS方案。
圖（a）：理想的ZVS波形；
圖（b）：Vds還沒下降到0，Vgs已經(jīng)出現(xiàn)。此種情況下，LLC串聯(lián)諧振就會發(fā)生硬開關(guān)。應(yīng)對之策需要減少變壓器的勵(lì)磁電流，或者適當(dāng)增加死區(qū)時(shí)間（如果IC選定，死區(qū)時(shí)間一般就固定了）；
圖（c）：實(shí)現(xiàn)了ZVS，但是諧振腔的電流不足以維持MOSFET體內(nèi)二極管的持續(xù)導(dǎo)通。
圖（d）死區(qū)時(shí)間過于長了，會降低整個(gè)LLC的工作效率。
總之，MOSFET的等效輸出電容對于LLC原邊MOSFET ZVS的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的。如果MOSFET已經(jīng)選定，諧振腔需要仔細(xì)計(jì)算、調(diào)試和設(shè)定，并選取合適的死區(qū)時(shí)間，來覆蓋所有負(fù)載的應(yīng)用范圍。實(shí)際應(yīng)用中對于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的硬開關(guān)都可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行修正從而達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)目的。然而開機(jī)過程中的硬開關(guān)（軟啟高頻到低頻過程中），尤其是開機(jī)過程中的頭幾個(gè)開關(guān)周期，對于有些設(shè)計(jì)和方案，硬開關(guān)是避免不了的。
（1）變頻控制
（2）固定占空比50％
（3）在開關(guān)管輪替導(dǎo)通之間存在死區(qū)時(shí)間（Dead?Time），因此Mosfet可以零電壓開通（ZVS）,二次側(cè)Diode可以零點(diǎn)流關(guān)斷，因此二極管恢復(fù)損耗很小
（4）高效率，可以達(dá)到92％+
（5）較小的輸出漣波，較好的EMI
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