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用于LED街灯照明系统的高效率高可靠性电源设计

归档日期:05-05       文本归类:反向恢复      文章编辑:爱尚语录

  发布时间:2012年03月26日 18:03 发布者:1770309616

  LED可提供比传统照明光源更高的效率和更长的寿命,因此,该技术正在成为降低室内或室外照明能耗的最新解决方案。在要求以更低成本实更高效率和更长寿命的街灯照明系统中同样如此。为LED灯供电的开关电源也应该具有很高的效率和耐用性,以确保维持与LED灯具相同的工作寿命。谐振转换器是这种应用场合中最流行的电源拓扑之一,因为与以往的电源拓扑相比,谐振转换器可以提高功效并降低EMI。

  软开关是谐振转换器的一个重要特性。不过使用谐振转换器中的体二极管有时会导致系统故障。体二极管中存储的电荷应完全释放,以避免产生大电流电压尖峰,包括这些拓扑中很高的dv/dt和di/dt。因此,功率MOSFET的关键参数(如Qrr)和反向恢复dv/dt将直接影响谐振转换器的动态性能。本文将要讨论的是用于LED街灯照明的开关电源的总体解决方案。新的谐振控制器与新的功率开关组合在一起可以为LED照明电源提供高效解决方案,同时又不会降低转换器的鲁棒性和成本效益。

  有多种DC/DC电源转换拓扑可以用来降低开关损耗、功率MOSFET上的器件应力和射频干扰(RFI),同时实现很高的功率密度。在这些拓扑中,使用MOSFET的体二极管实现零电压开关的谐振转换器,可以实现更高的效率。特别是LLC谐振转换器,它可以在高输入电压和次级整流器上的低电压应力状态下获得高效率,这是因为次级没有电感。另外,LLC谐振转换器在没有负载的条件下也能保证零电压开关(ZVS)。零电压开关技术能够显著降低开关损耗,同时大幅提高效率。此外,零电压开关还能有效降低开关噪声,从而允许使用小尺寸的电磁干扰滤波器。

  由于具有这些独特的性能,LLC谐振转换器正在成为包括LED街灯照明在内的许多应用的流行拓扑。FAN7621S提供了构建可靠、耐用的LLC谐振转换器所必需的一切条件。该器件包含了高压侧栅极驱动电路、精确的电流控制振荡器、频率限制电路、软启动和内置保护功能,因此可以简化设计、提高产能。

  FAN7621S具有多种保护功能,如过压和过流保护(OVP/OCP)、异常过流保护(AOCP)和内部热关断(TSD)。鉴于LED街灯照明系统的特殊应用要求,所有保护都具有自启动特性。高压侧栅极驱动电路具有共模噪声抵消功能,这种优秀的抗噪声能力能够保证系统稳定工作。在输出短路状态时,最新谐振转换器的工作点还可以移动到零电流开关(ZCS)区域。图1显示了工作点是如何移动的。在这种情况下,零电压开关不再有效,MOSFET将传导特别大的电流。零电流开关工作的最大缺点是导通点发生硬开关,这将导致MOSFET体二极管产生反向恢复应力。

  体二极管在很大的dv/dt时会关断,从而产生一个高的反向恢复电流尖峰。这些尖峰要比稳定状态的电流幅度高出10倍。如此大的电流会导致损耗增加,并使MOSFET升温。而结点温度的上升将导致MOSFET的dv/dt性能下降。在极端情况下,可能会损坏MOSFET,并致使系统故障。

  MOSFET的体二极管一般具有很长的反向恢复时间和很大的反向恢复电荷。尽管性能较差,但这种体二极管常被用作续流二极管,因为其电路简单,在谐振转换器这样的应用中不会增加系统成本。随着越来越多的应用将固有体二极管用作系统中的关键元件,在深入分析MOSFET故障机制的条件下,为谐振转换器设计出了一款高度优化的功率MOSFET。这种MOSFET提高了体二极管的耐用性,而且输出电容中存储的能量较少。如表1所示,与替代方案相比,新型UniFET II MOSFET系列器件的反向恢复电荷(Qrr)大幅减少了50%和80%。

  MOSFET的电容是非线性的,取决于漏-源极电压,因为MOSFET电容实际上就是结点电容。在软开关应用中,MOSFET输出电容可以用作谐振元件。当MOSFET通时,为了支持零电压开关,从变压器存储的磁能中提取的电流将发生流动,从而给MOSFET输出电容放电。因此,如果MOSFET输出电容存储的能量较小,达到软开关所要求的谐振能量就较小,不会增加循环能量。与典型开关电源大电容电压下导通电阻相同的竞争性器件相比,UniFET II MOSFET系列器件的输出电容存储的能量要少大约35%。输出电容存储的能量基准如图2所示。

  二极管从导通状态到反向阻塞状态的开关过程被称为反向恢复。在二极管的前向导通过程中,电荷被存储在二极管的P-N结中。当施加反向电压时,存储的电荷应释放掉以恢复到阻塞状态。存储电荷通过两种现象释放:大反向电流的流动和重新结合。在这个过程中,二极管中将产生很大的反向恢复电流。在使用MOSFET体二极管的情况下,一些反向恢复电流正好在N+源极下流过。图3显示了在体二极管反向恢复期间的MOSFET故障波形。对于竞争产品A来说,故障刚好发生在电流达到dv/dt=6.87V/ns处的峰值反向恢复电流之后。这意味着,这个峰值电流触发了寄生BJT。但UniFET II MOSFET系列器件能够在甚至更高的dv/dt(14.32V/ns)下正常工作。

  图4显示了UniFET II MOSFET系列器件的强大体二极管如何使处于输出短路状态的转换器可靠性受益。在输出短路后,工作模式从零电压开关切换到了零电流开关。由于具有较小的Qrr,UniFET II MOSFET系列器件的电流尖峰要低得多,而最重要的是,器件没有发生故障。

  转换器在启动期间还可能发生其它不良行为。图5显示了启动时的开关电流波形。超过27A的大电流尖峰是由于大峰值反向恢复电流引起的,它能触发控制IC的保护功能。相反,UniFET II MOSFET系列器件没有产生高的电流尖峰。

  为了比较UniFET II MOSFET系列器件和竞争产品的电源转换效率,我们设计了一个150W的半桥LLC谐振转换器。效率测量结果见图6。在整个输入电压范围内,UniFET II MOSFET的系统效率都比竞争者高。获得更高效率的主要原因是由于,更低的Qg和Eoss减少了关断损耗和输出电容损耗。

  新型功率MOSFET系列器件整合了强大的体二极管性能和快速开关性能,可在谐振转换器应用实现更高的可靠性和更高的效率。由于减少了栅极电荷和输出电容中存储的能量,因此降低了驱动损耗并提高了开关效率。UniFET II MOSFET系列器件能够以最低的成本为设计人员提供更高的可靠性和效率。

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