LLC谐振电路应用中MOSFET如何选型 陈桥梁 西安龙腾新能源科技发展有限公司 内容摘要 LLC电路的基本原理和设计流程 LLC电路中MOSFET的选型及实例 LLC 谐振变换器 ZVS 高效率 高频化 副边整流二极管电压应力低 无反向恢复问题 全负载范围内实现原边MOSFET ZVS S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir LLC变换器增益特性曲线 优化工作点 R CrLr Qs f0 of Lr and Cr 不同开关频率情况下LLC工作波形 Normalized frequency Va Ip 开关频率等于谐振频率 Va Ip 开关频率低于谐振频率 Va Ip 开关频率高于谐振频率 LLC关键参数及设计目标 CrLr Lm n 1 1 Vin Vo RL rrC L f 2 1 0 谐振频率谐振频率 o in V V n 2 变压器变比变压器变比 电感比率电感比率 r m n L L L 品质因数品质因数 L rr Rn CL Q 2 减小原边MOS有效值电流和关断电流 确保原边MOSFET实现ZVS 确保LLC在合理的工作区域和范围 MOS工作在安全状态下工作在安全状态下 LLC定量关系 原边电流有效值 CrLr Lm n 1 1 Vin Va 0 T 2T Resonant tank current Magnetizing inductor current 2 2 2 2 4 4 24 1 m L L O PRMS L TRn nR V I 励磁电感Lm越大 原边有效 值电流越小 LLC定量关系 副边电流有效值 副边二极管电流为原边谐振电流与励磁电流之差 励磁电感越大 副边有效值电流越小 1 12 485 4 1 2 2 2 4 2 2 m L L O SRMS L TRn nR V I 0 T 2T Resonant tank current Magnetizing inductor current Primary side current LLC定量关系 ZVS实现条件 4 max T L nV I m o Lm Vin Lr nVo n2R Cr Lm Cj Cj ILr ILm Va tdead ILm max uHLm13 在死区时间内 MOS关断时刻电流应能对MOS结电容Coss进行完全充放电 ineqdeadLm VCtI2max eq dead m C tT L 16 Vin Cr Ceq Ceq I Lm max 例子例子 1MHz 100nS 死区时间 470pF 等效结电容 Qoss 2Ceq Vin LLC定量关系 励磁电感Lm和死区时间折中 m L 更小的关断电流更小的关断电流 更小的励磁电流更小的励磁电流 由于占空比损失 有效值电流增加由于占空比损失 有效值电流增加 dead t dead t 更小的占空比损失更小的占空比损失 更小的关断电流更小的关断电流 更小的励磁电流峰值更小的励磁电流峰值 m L LLC定量关系 励磁电感Lm和死区时间折中 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 050100150200250 Dead time nS Normalized Primary RMS Current 导通损耗 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 050100150200250 Dead time nS Turn off current 开关损耗 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 050100150200250 Dead time nS Loss 总损耗 LLC定量关系 增益要求和Lm计算 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 10 20 10 0 10 1 10 2 Ln Q Gain Vin 200V 不同的Ln和Q组合 决定了能达到的最大增益 彩色曲面图代表不同Ln和Q组合能到到的最大增益 仅有某个区域的Ln和Q组合才能满足增益要求 0 2 2 nm L f L QL n R 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 20 Ln Q 0 050 150 250 350 450 550 650 750850 95 1 Lm 13uH 设计点 为了增加LLC增益 需要更低的励磁电 感Lm LLC设计参数小结 CrLr Lm n 1 1 Vin Vo RL 变压器原副边匝比变压器原副边匝比 励磁电感感量励磁电感感量 励磁电感与谐振电感比例励磁电感与谐振电感比例 谐振电感感量谐振电感感量 谐振电容谐振电容 4 n HLm 13 15 n L HLr 85 0 nFCr30 原边电流有效值原边电流有效值 AI RMS 1 6 LLC设计流程 规格要求 MOSFET 变压器匝比 开关频率 最大增益 要求 死区时间优化 励磁电感Lm LnQ Ln Q Cr Y N 内容摘要 LLC电路的基本原理和设计流程 LLC电路中MOSFET的选型及实例 如何得到MOSFET的Ceq 如何得到MOSFET的Ceq 计算 1 通过曲线拟合 数值积分求面积 的方式得到Qeq 2 Ceq Qeq Vds Qeq 如何得到MOSFET的Ceq Spice模型仿真 I V1 ARB3 1e12 I V1 DDT V N1 OUT N1 Vin I V1 ARB2 1e12 sdt I V1 V N2 OUT N2 N1 20k R2 Ceqt Ceqe 0 Pulse 0 480 0 1p 1p V4 Q2 ID I V1 ARB1 1e12 sdt I V1 V N1 2 V N2 V N2 OUT N2 N1 Vin Vin Cds VDS 如何得到MOSFET的Ceq 测量 0 200 400 600 800 1000 1200 50 100 150 200 250 300 350 400 450 480 输出等效电容输出等效电容 pF 漏源电压漏源电压 V Co tr Co er 如何选择原边MOSFET 效率目标 对于某一种MOSFET技术平台 Rdson Qg或Rdson Ceq基本为固定值 如果MOSFET的Rdson越小 Qg和Ceq将会越大 eq dead m C tT L 16 m L eqC rms I dsonReqC dead teqC rms I eqC MOSFET开关损耗增加开关损耗增加 关断电流增加 开关速度变慢关断电流增加 开关速度变慢 MOS导通损耗 增加或降低 导通损耗 增加或降低 MOS总损耗 增加或降低 总损耗 增加或降低 没有 最好 的MOSFET 只有 最适合 的MOSFET 没有 最好 的MOSFET 只有 最适合 的MOSFET 普通VDMOS和SJ MOS性能对比 FOM 38 22 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 VD MOSFET 1 11A 600V VD MOSFET 2 11A 600V SJ MOSFET 11A 600V Rdson Qg nC 12N60 Qg 42nC Rdson 0 55 12N60 Qg 26nC Rdson 0 53 11N60 Qg 28nC Rdson 0 30 Super Junction FOM Rdson Qg SJ MOS与GaN HEMT MOS性能对比 FOM 16 53 11 97 6 368 4 32 0 374 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 CoolMOS C3 600V 0 19 CoolMOS C6 600V 0 19 CoolMOS CP 600V 0 199 CoolMOS C7 600V 0 18 GaN MOSFET 600V 0 22 Rdson Qg nC Gen 1 Gen 2 Gen 2 5 Gen 3 SJ MOS和GaN HEMT MOS Qoss比较 蓝色蓝色 SJ MOSFET 红色红色 GaN HEMT MOSFET 均为600V 70 m Rdson器件 SJ MOSFET GaN HEMT MOS LLC变换器有效值电流比较 SJ MOS和GaN HEMT MOS 1MHz 更短的死区时间会有更小原副边有效值电流 S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir LLC变换器 ZVS状态下模态切换 25 LLC变换器工作波形 ZVS模式 轻载 10 load 开关频率低于低于谐振频率 VAO Ir ILM VAO Ir ILM 10 load 开关频率等于等于谐振频率 26 D1 反向恢复反向恢复 LLC变换器 ZCS状态下模态切换 27 S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir S1 S2 D1 D2 CrLr Lm Va Ir LLC输出短路状态 MOS体二极管反向恢复 Id2 Vgs1 Vds1 Irrm 18A 28 LLC启动过程 MOS体二极管反向恢复 Vg1 V 0 100 200 300 400 Vcr V 0 50 100 150 200 250 IS1 A 0 0 5 1 5 2 I Lr A 0 0 5 1 5 2 3 I Lm mA 0 200 400 600 800 time uSecs1uSecs div 0123456789 IS2 A 3 2 5 1 5 0 5 0 Vgs2 Vcr Id2 ILr ILm Id1 上管上管 上管上管 下管下管 29 LLC变换器 PWM方式启动 CM6901 30 LLC PWM模式启动波形 31 黄色 下管黄色 下管 Vgs波形波形 绿色 下管绿色 下管 Vds波形波形 启动过程图 启动过程细节图 LLC 启动波形 L6599 Vds1 Vgs1 上管开通时刻 下管MOS体二极管反向恢复 导致驱动波形 和Vds波形出现强烈振荡 谢谢