用于LED街燈照明的高效可靠電源

簡介
相比傳統(tǒng)照明技術(shù)，LED燈效率高，使用壽命長。因而成為首選燈泡類型，以期減少室內(nèi)/外照明的能耗。事實上，對于街燈而言，更高的效率和更長的壽命對于降低成本是必不可少的。為LED燈供電而設(shè)計的開關(guān)電源也必須具有高效率和耐用性，以確保其具有與LED燈同樣長的免維護使用期。在這里，諧振轉(zhuǎn)換器是最流行的電源拓撲之一，這是因為相比先前的電源拓撲，它們的性能帶來了更高的電源效率并可減少EMI。軟開關(guān)是諧振轉(zhuǎn)換器的一個重要特點。但諧振轉(zhuǎn)換器中使用的體二極管有時會導(dǎo)致系統(tǒng)故障。體二極管中的存儲電荷必須被完全清除，以避免出現(xiàn)大電流和電壓尖刺，包括拓撲結(jié)構(gòu)中的高dv/dt和高di/dt。因而，功率MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)如Q_rr和反向恢復(fù)dv/dt直接影響了諧振轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。本文將探討針對LED街燈照明的開關(guān)電源的整體解決方案。新的諧振控制器結(jié)合新的功率開關(guān)，可為LED照明電源提供高效解決方案，同時不會影響轉(zhuǎn)換器的耐用性和成本效率。

諧振轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效率
業(yè)界已經(jīng)推出數(shù)種DC-DC功率轉(zhuǎn)換拓撲以減少功率轉(zhuǎn)換損耗、MOSFET器件應(yīng)力和射頻干擾(radio frequency interference，RFI)，同時實現(xiàn)高功率密度。其中，諧振轉(zhuǎn)換器利用MOSFET的體二極管進行零電壓開關(guān)(zero voltage switching, ZVS)，獲業(yè)界證實為達到更高效率的有效器件。特別地，由于次級端無電感器，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可在高輸入電壓下達到高效率，并且次級整流管上的電壓應(yīng)力較低。此外，即便空載條件下，LLC諧振轉(zhuǎn)換器也能保證零電壓開關(guān)工作。ZVS技術(shù)能夠顯著減少轉(zhuǎn)換損耗并大幅提高效率。零電壓開關(guān)也顯著減少了開關(guān)噪聲，允許使用小型電磁干擾過濾器。鑒于這些獨特的特性，LLC諧振轉(zhuǎn)換器正在成為流行的拓撲，用于包括LED街燈的眾多應(yīng)用。FAN7621S提供了構(gòu)造可靠、穩(wěn)健的LLC諧振轉(zhuǎn)換器所需的全部功能，包含高端柵極驅(qū)動電路、精確的電流受控振蕩器、頻率限制電路、軟啟動和內(nèi)置保護功能，能夠簡化設(shè)計和提高可生產(chǎn)性。所提供的多種保護功能有過壓和過流保護(OVP/OCP)、異常過流保護(AOCP)和內(nèi)部過熱關(guān)斷(TSD)功能。

鑒于LED街燈照明的特殊應(yīng)用要求，所有的保護功能可以自動重啟，高端柵極驅(qū)動電路具有共模消噪性能和優(yōu)良的抗噪性能，能夠保證穩(wěn)定工作。即便使用最新的諧振控制器，在輸出短路狀況下，轉(zhuǎn)換器的工作點可以移入零電流開關(guān)(ZCS)區(qū)域。圖1顯示了工作點的移動狀況。在此狀況下，ZVS丟失而MOSFET上流過極大的電流。ZVS工作的最嚴重缺點是在啟動時發(fā)生硬開關(guān)，這會導(dǎo)致MOSFET體二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)應(yīng)力。體二極管在很大的dv/dt下關(guān)斷，因而，在非常大的di/dt下，會產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流尖刺，這些尖刺電流的幅度可以超過穩(wěn)態(tài)電流的十倍量級。大電流會帶來相當大的損耗增加并使MOSFET發(fā)熱。而后，MOSFET的dv/dt性能由于結(jié)點溫升而下降，在極端狀況下，可能損壞MOSFET并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

圖1. 根據(jù)負載條件而變化的LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作點

最新MOSFET技術(shù)
典型狀況下，MOSFET體二極管具有很長的反向恢復(fù)時間和較大的反向恢復(fù)電荷。盡管性能不佳，在某些應(yīng)用如諧振轉(zhuǎn)換器中，體二極管仍被用作續(xù)流(freewheeling)二極管，因為它能夠簡化電路，不會增加系統(tǒng)成本。由于越來越多的應(yīng)用使用固有的體二極管作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，飛兆半導(dǎo)體深入分析了MOSFET失效機理，針對諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計了全新的高度優(yōu)化的功率MOSFET產(chǎn)品，提升了體二極管的穩(wěn)健性并減少了輸出電容的儲能。如表1所述，相比于其它方案，全新UniFET? II MOSFET系列的反向恢復(fù)電荷(Qrr)顯著減少了50%和88%。

表1. 被測器件(DUT)關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)比較

MOSFET的電容是非線性的并且依賴于漏源電壓，因為它的電容本質(zhì)上是結(jié)電容。對于軟開關(guān)應(yīng)用，MOSFET輸出電容可用作諧振元件。當MOSFET導(dǎo)通時，從變壓器儲存的磁化能量中獲取的電流流動使得MOSFET的輸出電容放電，以便達到ZVS條件。因此，若MOSFET輸出電容中儲能較少，則為達到軟開關(guān)而所需的諧振能量也較少，無需增加循環(huán)能量。相比導(dǎo)通電阻相同的其它競爭對手器件，在典型的開關(guān)電源大電容電壓下，UniFET? II MOSFET系列在輸出電容中的儲能減少約35%。圖2所示為輸出電容的儲能評測。

表2. 輸出電容中的儲能

對諧振轉(zhuǎn)換器的益處
二極管從導(dǎo)通狀態(tài)變化至反向阻斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程叫做反向恢復(fù)。在二極管正向?qū)ㄆ陂g，電荷被儲存在二極管的P-N結(jié)中。當施加反向電壓時，所存儲的電荷會被消除從而返回到阻斷狀態(tài)。可通過兩種現(xiàn)象進行儲存電荷的消除：大反向電流的流過和復(fù)合。在此過程中，二極管中產(chǎn)生大反向恢復(fù)電流。就MOSFET體二極管來說，某些反向恢復(fù)電流就在N+源極下流動。圖3顯示了在體二極管反向恢復(fù)期間MOSFET的失效波形。對于競爭產(chǎn)品A，故障就發(fā)生在電流水平達到最大反向恢復(fù)電流后，即dv/dt為6.87V/ns。這意味著峰值電流觸發(fā)了寄生雙極結(jié)晶體管(BJT)，但UniFET? II MOSFET系列則能避免，直到dv/dt達到更高的14.32V/ns。

(a)競爭產(chǎn)品A(B) UniFET? II MOSFET系列

圖3. 體二極管反向恢復(fù)期間的電壓和電流波形

圖4顯示了UniFET? II MOSFET系列的固有體二極管如何在輸出短路下提高轉(zhuǎn)換器的可靠性。在輸出短路后，工作模式從ZVS轉(zhuǎn)變?yōu)閆CS。由于Qrr更小，UniFET? II MOSFET系列的電流尖刺降低了很多，并且最重要的是器件沒有發(fā)生故障。

(a)競爭產(chǎn)品，輸出短路下發(fā)生故障 (b) UniFET? II MOSFET系列

圖4. 短路狀況下的工作波形

轉(zhuǎn)換器的其它異常模式可能發(fā)生在啟動階段。圖5顯示了啟動階段的開關(guān)電流波形。電流尖刺的高峰值超過27A，是由大的反向恢復(fù)電流引起的。它可以觸發(fā)控制IC的保護功能。相反地，UniFET? II MOSFET系列則沒有出現(xiàn)大的電流尖刺。

(a)競爭產(chǎn)品A的波形 (b) UniFET? II MOSFET系列的波形

圖5. 啟動階段波形

為了比較UniFET? II MOSFET系列和競爭產(chǎn)品的功率轉(zhuǎn)換效率，我們設(shè)計了150W的LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器。效率測試總結(jié)參見圖6. 在整個輸入電壓范圍內(nèi)，系統(tǒng)的效率高于競爭MOSFET系統(tǒng)。效率更高的主要原因是具有更低的Qg和Eoss，從而減少了關(guān)斷損耗和輸出電容性損耗。

圖6. LLC諧振轉(zhuǎn)換器的效率比較

總結(jié)
全新功率MOSFET系列結(jié)合了強壯的固有體二極管性能和快速開關(guān)特性，目的是在諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中達到更好的可靠性和效率。由于降低了柵極充電電荷和輸出電容的儲能，降低了驅(qū)動損耗，開關(guān)效率也得到了提升。UniFET? II MOSFET系列以最低成本為設(shè)計人員提供了更好的可靠性和效率。