在半橋諧振轉換器中提升次級端同步整流器功率效率的控制方法分析

溫室效應和日漸枯竭的地球資源使得功率電路設計中的節能要求變得越來越重要。設計人員正在尋求效率更高、功耗更低的解決方案，以期減少不必要的能量損失。利用諧振電感和諧振電容的LLC 諧振轉換器，使用零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)可獲得更加高效的解決方案。雖然LLC諧振轉換器具有更高的效率，采用不連續模式(DCM)或臨界導通模式(BCM)工作的次級端MOSFET的電流可能引起功率損耗。本文將討論如何使用次級端同步整流器電路來降低功率損耗，探討使用次級端電流使MOSFET同步導通和關斷的控制方法，以及使用LLC初級端柵極信號來控制MOSFET的電壓和導通時間的方法。

I. 前言：半橋LLC轉換器

為了獲得更高的功效，與200W到800W雙管正激轉換器相比，LLC諧振轉換器的初級端MOSFET能夠輕易達到零電壓開關(ZVS)，以期節省能量，并且獲得更高的效率。此外，LLC諧振轉換器使用獨特的部件，能夠省略次級端的儲能電感，優于雙管正激轉換器的方案，并減小在印刷電路板上的占位面積。由于LLC諧振轉換器的特性，將會以臨界導通模式(BCM)或不連續模式(DCM)處理次級端電流，電流峰值將會大于雙管正激轉換器的電流峰值。下面將介紹幾種使用不同的檢測信號來控制MOSFET導通和關斷的方法。

II. 同步整流器控制方法的分析

在LLC諧振轉換器控制次級端整流器時，尤其是在關斷的過程中，MOSFET導通和關斷的控制定時是非常重要的。我們可以使用檢測LLC諧振轉換器初級端或次級端的電流或電壓信號的方式，來確定MOSFET導通的區域。圖1為LLC轉換器的同步整流電路圖。我們使用所示的電壓和電流符號，介紹四種在次級端同步整流器關斷過程中控制MOSFET的方法。

圖1. LLC轉換器的同步整流器電路圖

1. 檢測次級端電流(IDS1和IDS2)

通過檢測MOSFET的電流，可利用次級端同步整流器來控制MOSFET導通和關斷的時間，如圖2和3所示。由于需要檢測IDS1和IDS2，需要增加一個電流互感器(Current Transformer, CT)，從MOSFET信號中獲取控制信息。與初級端電流相比，次級端電流要大些，所以電流互感器的匝數比很大。最后，設計人員可以使用電阻將分離的電流信號變換成電壓信號，并將其發送至邏輯電路來控制MOSFET器件。

圖2所示為使用兩個電流互感器來檢測電流信號，圖3所示為使用一個電流互感器來檢測電流信號的情況，在這個設計中，電路布局受到更多的限制，但是省去了一個電流互感器并且節省了線路板面積。

圖2. 使用雙電流互感器檢測同步整流器電流

圖3. 使用單一電流互感器檢測同步整流器電流

圖4所示為每個相位的情況，該相位使用由電流互感器的檢測電流轉換而來的電壓，以便控制MOSFET波形和GATE信號。設定的電平用作控制MOSFET導通和關斷的基點。圖5所示為一個電流互感器檢測到電流后的兩個相位，轉換成電壓以確定MOSFET導通和關斷的波形。我們觀察到電流互感器檢測到的波形是交流信號VXN，并且具有一個不同的輸出負載波形。在輕負載下，次級端電流集中在開關周期的終端，所以，控制MOSFET的GATE打開信號的時間會更短。如果輸出電流繼續降低，電流互感器檢測到的電流將會減小，我們可以使用檢測到的電平來確定在輕負載或無負載情況下關斷同步整流器的時間。