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用于LED街灯照明的高效可靠电源
作者:飞兆半导体公司 Wonseok Kang
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
简介

相比传统照明技术,LED灯效率高,使用寿命长。因而成为首选灯泡类型,以期减少室内/外照明的能耗。事实上,对于街灯而言,更高的效率和更长的寿命对于降低成本是必不可少的。为LED灯供电而设计的开关电源也必须具有高效率和耐用性,以确保其具有与LED灯同样长的免维护使用期。在这里,谐振转换器是最流行的电源拓扑之一,这是因为相比先前的电源拓扑,它们的性能带来了更高的电源效率并可减少EMI。软开关是谐振转换器的一个重要特点。但谐振转换器中使用的体二极管有时会导致系统故障。体二极管中的存储电荷必须被完全清除,以避免出现大电流和电压尖刺,包括拓扑结构中的高dv/dt和高di/dt。因而,功率MOSFET的关键参数如Qrr和反向恢复dv/dt直接影响了谐振转换器的动态性能。本文将探讨针对LED街灯照明的开关电源的整体解决方案。新的谐振控制器结合新的功率开关,可为LED照明电源提供高效解决方案,同时不会影响转换器的耐用性和成本效率。

谐振转换器实现高效率

业界已经推出数种DC-DC功率转换拓扑以减少功率转换损耗、MOSFET器件应力和射频干扰(radio frequency interference,RFI),同时实现高功率密度。其中,谐振转换器利用MOSFET的体二极管进行零电压开关(zero voltage switching, ZVS),获业界证实为达到更高效率的有效器件。特别地,由于次级端无电感器,LLC谐振转换器可在高输入电压下达到高效率,并且次级整流管上的电压应力较低。此外,即便空载条件下,LLC谐振转换器也能保证零电压开关工作。ZVS技术能够显著减少转换损耗并大幅提高效率。零电压开关也显著减少了开关噪声,允许使用小型电磁干扰过滤器。鉴于这些独特的特性,LLC谐振转换器正在成为流行的拓扑,用于包括LED街灯的众多应用。FAN7621S提供了构造可靠、稳健的LLC谐振转换器所需的全部功能,包含高端栅极驱动电路、精确的电流受控振荡器、频率限制电路、软启动和内置保护功能,能够简化设计和提高可生产性。所提供的多种保护功能有过压和过流保护(OVP/OCP)、异常过流保护(AOCP)和内部过热关断(TSD)功能。

鉴于LED街灯照明的特殊应用要求,所有的保护功能可以自动重启,高端栅极驱动电路具有共模消噪性能和优良的抗噪性能,能够保证稳定工作。即便使用最新的谐振控制器,在输出短路状况下,转换器的工作点可以移入零电流开关(ZCS)区域。图1显示了工作点的移动状况。在此状况下,ZVS丢失而MOSFET上流过极大的电流。ZVS工作的最严重缺点是在启动时发生硬开关,这会导致MOSFET体二极管产生反向恢复应力。体二极管在很大的dv/dt下关断,因而,在非常大的di/dt下,会产生很大的反向恢复电流尖刺,这些尖刺电流的幅度可以超过稳态电流的十倍量级。大电流会带来相当大的损耗增加并使MOSFET发热。而后,MOSFET的dv/dt性能由于结点温升而下降,在极端状况下,可能损坏MOSFET并导致系统故障。

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图1. 根据负载条件而变化的LLC谐振转换器工作点

最新MOSFET技术

典型状况下,MOSFET体二极管具有很长的反向恢复时间和较大的反向恢复电荷。尽管性能不佳,在某些应用如谐振转换器中,体二极管仍被用作续流(freewheeling)二极管,因为它能够简化电路,不会增加系统成本。由于越来越多的应用使用固有的体二极管作为系统的关键组件,飞兆半导体深入分析了MOSFET失效机理,针对谐振转换器设计了全新的高度优化的功率MOSFET产品,提升了体二极管的稳健性并减少了输出电容的储能。如表1所述,相比于其它方案,全新UniFET™ II MOSFET系列的反向恢复电荷(Qrr)显著减少了50%和88%。

表1. 被测器件(DUT)关键规格参数比较
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MOSFET的电容是非线性的并且依赖于漏源电压,因为它的电容本质上是结电容。对于软开关应用,MOSFET输出电容可用作谐振元件。当MOSFET导通时,从变压器储存的磁化能量中获取的电流流动使得MOSFET的输出电容放电,以便达到ZVS条件。因此,若MOSFET输出电容中储能较少,则为达到软开关而所需的谐振能量也较少,无需增加循环能量。相比导通电阻相同的其它竞争对手器件,在典型的开关电源大电容电压下,UniFET™ II MOSFET系列在输出电容中的储能减少约35%。图2所示为输出电容的储能评测。

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表2. 输出电容中的储能

对谐振转换器的益处

二极管从导通状态变化至反向阻断状态的转换过程叫做反向恢复。在二极管正向导通期间,电荷被储存在二极管的P-N结中。当施加反向电压时,所存储的电荷会被消除从而返回到阻断状态。可通过两种现象进行储存电荷的消除:大反向电流的流过和复合。在此过程中,二极管中产生大反向恢复电流。就MOSFET体二极管来说,某些反向恢复电流就在N+源极下流动。图3显示了在体二极管反向恢复期间MOSFET的失效波形。对于竞争产品A,故障就发生在电流水平达到最大反向恢复电流后,即dv/dt为6.87V/ns。这意味着峰值电流触发了寄生双极结晶体管(BJT),但UniFET™ II MOSFET系列则能避免,直到dv/dt达到更高的14.32V/ns。

竞争产品A (B) UniFET™ II MOSFET系列

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图3. 体二极管反向恢复期间的电压和电流波形

图4显示了UniFET™ II MOSFET系列的固有体二极管如何在输出短路下提高转换器的可靠性。在输出短路后,工作模式从ZVS转变为ZCS。由于Qrr更小,UniFET™ II MOSFET系列的电流尖刺降低了很多,并且最重要的是器件没有发生故障。

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(a)竞争产品,输出短路下发生故障 (b) UniFET™ II MOSFET系列
图4. 短路状况下的工作波形

转换器的其它异常模式可能发生在启动阶段。图5显示了启动阶段的开关电流波形。电流尖刺的高峰值超过27A,是由大的反向恢复电流引起的。它可以触发控制IC的保护功能。相反地,UniFET™ II MOSFET系列则没有出现大的电流尖刺。

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(a)竞争产品A的波形 (b) UniFET™ II MOSFET系列的波形
图5. 启动阶段波形

为了比较UniFET™ II MOSFET系列和竞争产品的功率转换效率,我们设计了150W的LLC谐振半桥转换器。效率测试总结参见图6. 在整个输入电压范围内,系统的效率高于竞争MOSFET系统。效率更高的主要原因是具有更低的Qg和Eoss,从而减少了关断损耗和输出电容性损耗。

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图6. LLC谐振转换器的效率比较

总结

全新功率MOSFET系列结合了强壮的固有体二极管性能和快速开关特性,目的是在谐振转换器应用中达到更好的可靠性和效率。由于降低了栅极充电电荷和输出电容的储能,降低了驱动损耗,开关效率也得到了提升。UniFET™ II MOSFET系列以最低成本为设计人员提供了更好的可靠性和效率。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/20/2012)
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