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          產品知識

          高效可靠LED街燈照明電源設計

          發布時間:2016/7/15 0:45:01  點擊:1322次

          相較于傳統的照明技術,LED燈具有較高的效率,及更長的使用壽命。因而成為首選的燈泡類型,以期減少室內/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不可或缺的。為LED燈供電而設計的開關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。在這裡,諧振轉換器是最流行的電源拓撲之一,這是因為相較于先前的電源拓撲,它們的性能帶來了更高的電源效率,并可減少EMI。軟開關是諧振轉換器的一項重要特點。但諧振轉換器中使用寄生二極體(body diode)有時會導致系統失效。儲存在寄生二極體中的電荷必須被完全清除,以避免出現大電流和電壓突波,包括拓撲結構中的高dv/dt和高di/dt。因此,功率MOSFET的關鍵參數如Qrr和反向恢復dv/dt,會直接對諧振轉換器的動態性能產生影響。本文將探討針對LED街燈照明的開關電源之整體解決方案。新的諧振控制器結合新的功率開關,可為LED照明電源提供高效解決方案,同時不會影響轉換器的耐用性和成本效率。
          諧振轉換器實現高效率
          市場上已經有多款DC-DC功率轉換拓撲可用來減少功率轉換損耗、MOSFET元件應力和射頻干擾(radio frequency interference, RFI),同時實現高功率密度。其中,採用MOSFET的寄生二極體來實現零電壓開關(zero voltage switching, ZVS)的諧振轉換器,已獲業界證實為可達到更高效率的有效元件。特別地,由于次級端沒有電感器,LLC諧振轉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力較低。此外,即便空載條件下,LLC諧振轉換器也能確保零電壓開關的工作。ZVS技術能夠大幅地減少轉換損耗并大幅提高效率。零電壓開關也顯著地減少了開關雜訊,允許使用小型電磁干擾濾波器。鑒于這些獨特的特性,LLC諧振轉換器正成為一種廣為業界所採用的拓撲,用于包括LED街燈的眾多應用之中。FAN7621S提供了建構可靠、穩健LLC諧振轉換器所需的全部功能,包含高端閘極驅動電路、精確的電流受控振盪器、頻率限制電路、軟啟動和內建的保護功能,能夠簡化設計和提高生產力。它所提供的多種保護功能包括了過壓和過流保護(OVP/OCP)、異常過流保護(AOCP)和內部過熱關斷(TSD)功能。
          鑒于LED街燈照明的特殊應用要求,所有的保護功能可以自動重新啟動,高端閘極驅動電路具有共模消噪性能和優良的抗噪性能,以確保工作時的穩定性。即便使用最新的諧振控制器,在短路輸出狀況下,轉換器的工作點可以移入零電流開關(ZCS)區域。圖1所示為工作點的移動狀況。在此一狀況下,ZVS丟失而MOSFET上流過極大的電流。ZCS工作的最嚴重缺點是在啟動時發生硬開關,這會導致MOSFET寄生二極體產生反向恢復應力。寄生二極體在很大的dv/dt下關斷,因而,在非常大的di/dt下,會產生很大的反向恢復電流突波,這些突波電流的幅度可以超過穩態電流的十倍以上。大電流會帶來相當大的損耗增加并使MOSFET發熱。而后,MOSFET的dv/dt性能由于結點溫度上升而下降,在極端狀況下,可能會毀掉MOSFET并導致系統失效。

          最新的MOSFET技術
          典型狀況下,MOSFET寄生二極體具有很長的反向恢復時間和較大的反向恢復電荷。儘管性能不佳,在某些應用如諧振轉換器中,寄生二極體仍被當作續流(freewheeling)二極體使用,因為它能夠簡化電路,不會增加系統成本。由于越來越多的應用使用本質寄生二極體(intrinsic body diode)來當作系統的關鍵元件,快捷半導體深入分析了MOSFET的失效機制,針對諧振轉換器設計了全新且高度優化的功率MOSFET產品,提升了寄生二極體的穩健性并減少了輸出電容的儲能。如表1所述,相較于其它方案,全新UniFET II MOSFET系列的反向恢復電荷(Qrr)明顯地少了50%和88%。
          MOSFET的電容是非線性的并且依賴于漏源電壓,因為它的電容本質上是一種結電容。對于軟開關應用,MOSFET輸出電容可當作諧振元件使用。當MOSFET導通時,儲存在變壓器中的磁能轉化為電流流動,使得MOSFET的輸出電容放電,以便達到ZVS工作的條件。因此,若MOSFET輸出電容中儲能較少,則為達到軟開關而所需的諧振能量也較少,不需要增加循環能量(circulating energy)。相較于導通電阻相同的其它競爭對手的元件,在典型的開關電源大電容電壓下,UniFET II MOSFET系列在輸出電容中的儲能減少約35%。輸出電容中儲存能量的特性如圖2所示。

          對諧振轉換器的效益
          二極體從導通狀態變化至反向阻斷狀態的轉換過程稱為反向恢復。在二極體正向導通期間,電荷被儲存在二極體的P-N結中。當施加反向電壓時,所儲存的電荷會被消除,從而返回到阻斷狀態?赏ㄟ^兩種現象消除儲存的電荷:大反向電流的流過和重組(recombination)。在此過程中,二極體中產生大反向恢復電流。就MOSFET寄生二極體來說,某些反向恢復電流就在N+源極下流動。圖3顯示了在寄生二極體反向恢復期間MOSFET的失效波形。對于競爭產品A,失效就發生在電流水準達到最大反向恢復電流后,即dv/dt為6.87V/ns。這意味著峰值電流觸發了寄生雙極結晶體管(BJT),但UniFET II MOSFET系列則能避免,直到dv/dt達到更高的14.32V/ns。

          圖4顯示了UniFET II MOSFET系列堅固的寄生二極體如何在輸出短路下提高轉換器的可靠性。在輸出短路后,工作模式從ZVS轉變為ZCS。由于Qrr更小,UniFET II MOSFET系列的電流突波降低了很多,而最重要的是,元件并未失效。

          轉換器的其它異常模式可能發生在啟動階段。圖5顯示了啟動階段的開關電流波形。電流突波的高峰值超過27A,是由大的反向恢復電流所引起的。它可以觸發控制IC的保護功能。相反地,UniFET II MOSFET系列則不會出現大的電流突波。

          為了比較UniFET II MOSFET系列和競爭產品的功率轉換效率,我們設計了一款150W的LLC諧振半橋轉換器。效率測試結果請參見圖6在整個輸入電壓範圍內,系統的效率高于競爭的MOSFET系統。效率較高的主要塬因是具有更低的Qg和Eoss,從而減少了關斷損耗和輸出電容性損耗。

          全新功率MOSFET系列結合了扎實的本質寄生二極體之性能和快速開關特性,目的是在諧振轉換器應用中達到更好的可靠性和效率。由于降低了閘極充電電荷和輸出電容的儲能,降低了驅動損耗,開關效率也因而提升。UniFET II MOSFET系列以最低成本為設計人員提供了更好的可靠性和效率。



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