|
LED可提供比傳統照明光源更高的效率和更長的壽命,因此，該技術正在成為降低室內或室外照明能耗的最新解決方案。在要求以更低成本實更高效率和更長壽命的街燈照明系統中同樣如此。為LED燈供電的開關電源也應該具有很高的效率和耐用性，以確保維持與LED燈具相同的工作壽命。諧振轉換器是這種應用場合中最流行的電源拓撲之一，因為與以往的電源拓撲相比，諧振轉換器可以提高功效并降低EMI。 軟開關是諧振轉換器的一個重要特性。不過使用諧振轉換器中的體二極管有時會導致系統故障。體二極管中存儲的電荷應完全釋放，以避免產生大電流和電壓尖峰，包括這些拓撲中很高的dv/dt和di/dt。因此，功率MOSFET的關鍵參數(如Qrr)和反向恢復dv/dt將直接影響諧振轉換器的動態性能。本文將要討論的是用于LED街燈照明的開關電源的總體解決方案。新的諧振控制器與新的功率開關組合在一起可以為LED照明電源提供高效解決方案，同時又不會降低轉換器的魯棒性和成本效益。 利用諧振轉換器實現高效率 有多種DC/DC電源轉換拓撲可以用來降低開關損耗、功率MOSFET上的器件應力和射頻干擾(RFI)，同時實現很高的功率密度。在這些拓撲中，使用MOSFET的體二極管實現零電壓開關的諧振轉換器，可以實現更高的效率。特別是LLC諧振轉換器，它可以在高輸入電壓和次級整流器上的低電壓應力狀態下獲得高效率，這是因為次級沒有電感。另外，LLC諧振轉換器在沒有負載的條件下也能保證零電壓開關(ZVS)。零電壓開關技術能夠顯著降低開關損耗，同時大幅提高效率。此外，零電壓開關還能有效降低開關噪聲，從而允許使用小尺寸的電磁干擾濾波器。 由于具有這些獨特的性能，LLC諧振轉換器正在成為包括LED街燈照明在內的許多應用的流行拓撲。FAN7621S提供了構建可靠、耐用的LLC諧振轉換器所必需的一切條件。該器件包含了高壓側柵極驅動電路、精確的電流控制振蕩器、頻率限制電路、軟啟動和內置保護功能，因此可以簡化設計、提高產能。 FAN7621S具有多種保護功能，如過壓和過流保護(OVP/OCP)、異常過流保護(AOCP)和內部熱關斷(TSD)。鑒于LED街燈照明系統的特殊應用要求，所有保護都具有自啟動特性。高壓側柵極驅動電路具有共模噪聲抵消功能，這種優秀的抗噪聲能力能夠保證系統穩定工作。在輸出短路狀態時，最新諧振轉換器的工作點還可以移動到零電流開關(ZCS)區域。圖1顯示了工作點是如何移動的。在這種情況下，零電壓開關不再有效，MOSFET將傳導特別大的電流。零電流開關工作的最大缺點是導通點發生硬開關，這將導致MOSFET體二極管產生反向恢復應力。 體二極管在很大的dv/dt時會關斷，從而產生一個高的反向恢復電流尖峰。這些尖峰要比穩定狀態的電流幅度高出10倍。如此大的電流會導致損耗增加，并使MOSFET升溫。而結點溫度的上升將導致MOSFET的dv/dt性能下降。在極端情況下，可能會損壞MOSFET，并致使系統故障。 
圖1：根據負載條件發生移動的LLC諧振轉換器工作點。 最新的MOSFET技術 MOSFET的體二極管一般具有很長的反向恢復時間和很大的反向恢復電荷。盡管性能較差，但這種體二極管常被用作續流二極管，因為其電路簡單，在諧振轉換器這樣的應用中不會增加系統成本。隨著越來越多的應用將固有體二極管用作系統中的關鍵元件，飛兆半導體在深入分析MOSFET故障機制的條件下，為諧振轉換器設計出了一款高度優化的功率MOSFET。這種MOSFET提高了體二極管的耐用性，而且輸出電容中存儲的能量較少。如表1所示，與替代方案相比，新型UniFET II MOSFET系列器件的反向恢復電荷(Qrr)大幅減少了50%和80%。
表1：待測器件的關鍵指標比較。 MOSFET的電容是非線性的，取決于漏-源極電壓，因為MOSFET電容實際上就是結點電容。在軟開關應用中，MOSFET輸出電容可以用作諧振元件。當MOSFET通時，為了支持零電壓開關，從變壓器存儲的磁能中提取的電流將發生流動，從而給MOSFET輸出電容放電。因此，如果MOSFET輸出電容存儲的能量較小，達到軟開關所要求的諧振能量就較小，不會增加循環能量。與典型開關電源大電容電壓下導通電阻相同的競爭性器件相比，UniFET II MOSFET系列器件的輸出電容存儲的能量要少大約35%。輸出電容存儲的能量基準如圖2所示。
圖2：輸出電容存儲的能量。 諧振轉換器的好處 二極管從導通狀態到反向阻塞狀態的開關過程被稱為反向恢復。在二極管的前向導通過程中，電荷被存儲在二極管的P-N結中。當施加反向電壓時，存儲的電荷應釋放掉以恢復到阻塞狀態。存儲電荷通過兩種現象釋放：大反向電流的流動和重新結合。在這個過程中，二極管中將產生很大的反向恢復電流。在使用MOSFET體二極管的情況下，一些反向恢復電流正好在N+源極下流過。圖3顯示了在體二極管反向恢復期間的MOSFET故障波形。對于競爭產品A來說，故障剛好發生在電流達到dv/dt=6.87V/ns處的峰值反向恢復電流之后。這意味著，這個峰值電流觸發了寄生BJT。但UniFET II MOSFET系列器件能夠在甚至更高的dv/dt(14.32V/ns)下正常工作。
圖3：體二極管反向恢復期間的電壓與電流波形。 圖4顯示了UniFET II MOSFET系列器件的強大體二極管如何使處于輸出短路狀態的轉換器可靠性受益。在輸出短路后，工作模式從零電壓開關切換到了零電流開關。由于具有較小的Qrr，UniFET II MOSFET系列器件的電流尖峰要低得多，而最重要的是，器件沒有發生故障。
圖4：UniFET II MOSFET系列器件在短路狀態下的工作波形。 轉換器在啟動期間還可能發生其它不良行為。圖5顯示了啟動時的開關電流波形。超過27A的大電流尖峰是由于大峰值反向恢復電流引起的，它能觸發控制IC的保護功能。相反，UniFET II MOSFET系列器件沒有產生高的電流尖峰。
圖5：啟動時的開關電流波形。 為了比較UniFET II MOSFET系列器件和競爭產品的電源轉換效率，我們設計了一個150W的半橋LLC諧振轉換器。效率測量結果見圖6。在整個輸入電壓范圍內，UniFET II MOSFET的系統效率都比競爭者高。獲得更高效率的主要原因是由于，更低的Qg和Eoss減少了關斷損耗和輸出電容損耗。
圖6：LLC諧振轉換器的效率比較。 本文小結 新型功率MOSFET系列器件整合了強大的體二極管性能和快速開關性能，可在諧振轉換器應用實現更高的可靠性和更高的效率。由于減少了柵極電荷和輸出電容中存儲的能量，因此降低了驅動損耗并提高了開關效率。UniFET II MOSFET系列器件能夠以最低的成本為設計人員提供更高的可靠性和效率。 來源：照明網 |
