MOS管为什么会被静电击穿?

日期: 2018-06-25 16:45:54 作者: 希测网 点击数:  

LLC计算最全套路

不断增加的开关电源功率密度,已经受到了无源器件尺寸的限制。采取高频运行,可以大大降低无源器件,如变压器和滤波器的尺寸。但是过高的开关损耗势必成为高频运行的一大障碍。为了降低开关损耗和容许高频运行,谐振开关技术已经得到了发展。这些技术采用正弦方式处理电力,开关器件能够实现软转换。使得开关损耗与噪声大为降低。在各种类型的谐振转换器中,最简单和最普遍的谐振转换器为LC串联谐振转换器,其中整流器 - 负载网络与LC谐振网络串联,如图1[2 - 4]所示。在该电路结构中,LC谐振网络与负载一起形成分压器。通过改变驱动电压Vd的频率,可以改变该谐振网络的阻抗。输入电压在谐振网络阻抗与反射负载之间进行分压。由于分压作用,LC串联谐振转换器的DC增益总是小于1。在轻载条件下,相比谐振网络的阻抗而言,负载阻抗很大。全部输入电压都被施加到负载上。这使得轻载下很难调节输出。在空载时,为了能够调节输出,理论上谐振频率应该为无限大。

为了打破串联谐振转换器的限制,LLC谐振转换器已经获得提出 [8 - 12]。LLC谐振转换器是一种改进型的LC串联谐振转换器,通过在变压器初级绕组放置一个并联电感而得以实现,如图2所示。采用并联电感可以增加初级绕组的环流,有利于电路运行。由于这个概念不直观,在该拓扑首次提出时没有受到足够的重视。然而在开关损耗相比通态损耗占主导比重的高输入电压应用中,却有利于效率的提高。在大多数实际设计中,该并联电感采用变压器的励磁电感。LLC谐振转换器的电路图与LC串联谐振转换器的电路图十分相似。唯一的差别在于: 励磁电感的取值不同。LLC谐振转换器的励磁电感远远大于LC串联谐振转换器的励磁电感 (Lr),LLC谐振转换器中的励磁电感为Lr的3 - 8倍,通常通过增加变压器的气隙来获得。

LLC谐振转换器具有许多超越串联谐振转换器的优点。它能够在较宽的电源和负载波动范围内调节输出,而开关频率波动却较小。在整个工作范围内,能够获得零电压开关 (ZVS)。全部固有的寄生参数均可以用于实现软开关,包括所有半导体器件的结电容、变压器漏感与励磁电感。包括LLC谐振转换器工作原理的解释、变压器与谐振网络的设计、元器件的选型。给出设计实例,逐条地解释设计过程,有助于进行LLC谐振转换器的设计。LLC谐振转换器与基波近似图3中给出了半桥LLC谐振转换器的原理简图,图中,Lm指励磁电感,用作并联电感,Lr指串联谐振电感,Cr指谐振电容。图4给出了LLC谐振转换器的典型波形。假定: 工作频率与谐振频率相同,后者决定于Lr与Cr.之间的谐振。由于励磁电感相对较小,形成相当量的励磁电流 (Im),在初级绕组续流,并不参与电能的传输。初级电流 (Ip)为励磁电流与次级电流反射到初级的电流之和。一般情况下,LLC谐振拓扑包括3级电路,如图3所示,即方波发生器、谐振网络和整流器网络。方波发生器负责产生方波电压Vd,通过50 % 占空比交替驱动开关Q1和Q2来实现。通常,在连续切换中会引入一个较小的死区时间。方波发生器可以构造成全桥或半桥类型。谐振网络包括一只电容、变压器漏感和励磁电感。谐振网络滤除高次谐波电流。在本质上,即使方波电压施加到谐振网络上,也只有正弦电流容许流过该谐振网络。电流 (Ip)滞后于施加到谐振网络上的电压 (即方波电压 (Vd)的基波分量被施加到半桥的图腾柱上),容许MOSFET零电压开通。如图4所示,当MOSFET电压为零时MOSFET开通,此时电流流经反并联二极管。整流器网络产生直流电压,采用整流器二极管和电容对交流电进行整流器。整流器网络可以设计成带有容性输出滤波器的全波整流器桥或中心抽头配置。

谐振网络的滤波作用可以采用基波近似原理,获得谐振转换器的电压增益,这需要假定方波电压的基波分量输入到谐振网络,并传输电能至输出端。由于次级端整流电路可作为阻抗变压器,所以其等效负载电阻与实际负载电阻并不相同。图5所示为该等效负载电阻的推导方式。初级电路由正弦电流源Iac代替,方波电压VRI出现在整流器的输入端。由于 | Iac | 的平均值为输出电流Io,则Iac可以描述为

注:Vo指输出电压。

由于VRI的各次谐波分量不涉及功率传输,交流等效负载电阻可以采用 (VRIF / Iac)计算:

考虑到变压器匝比 (n = Np / Ns),则初级等效负载电阻可以描述为

采用等效负载电阻,可以得到交流等效电路,如图6 FF所示,图中Vd和VRO分别指驱动电压Vd和反射输出电压VRO(nVRI)的基波分量。

利用式5中得到的等效负载电阻,可以推导出LLC谐振转换器的特性。利用图6所示的交流等效电路,可得电压增益M的计算公式:

图7给出了Q值不同且m = 3、fo = 100kHz且fp = 57kHz时,式6表达出的增益。由图7可见,当开关频率处于谐振频率fo附近时,LLC谐振转换器显示的电压增益特性几乎独立于负载。这是LLC型的谐振转换器超出传统串联谐振转换器非常突出的优势。因此,想当然地使得转换器运行在谐振频率附近,降低开关频率波动。LLC谐振转换器的工作范围受制于峰值增益 (可达最大增益),该增益标示有‘ * ’ (如图7所示)。需要说明的是,峰值电压增益不会出现在fo或fp.附近。获得峰值电压增益的频率位于fp和fo之间,如图7所示。随着负载变轻,Q值下降,峰值增益频率移向fp,峰值增益随之下降。因此对于谐振网络设计而言,满载条件为最坏情况。

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