半桥LLC电路中模块损耗的影响

半桥电路上下桥臂的死区时间定为190nS，这个时间和LLC电路功率管的ZVS工作状态，功率管驱动的可靠性密切相关，同时也影响谐振电流大小和模块整机效率 。对于LLC电路，我们将额定工作点设置在谐振点附近，通过实现功率管的ZVS开通和输出二极管的零反向恢复来实现模块的高效率。为了满足ZVS条件，死区时间必须满足：

其中：

输入母线电压，

：功率管漏源极间电容，

为励磁电流。

而输出电压和变压器匝比确定时，励磁电流的大小由谐振频率和励磁电感决定：

Tr为谐振周期，因此我们可以得出LLC对称半桥上下管死区时间和励磁电感，谐振频率的关系：

LLC的参数设计过程中，如果增大励磁电感Lm，可以减少功率管的关断电流，从而减少其关断损耗，如果不考虑桥臂的死区时间，我们认为模块流过谐振电感和变压器原边的谐振都是减少的。但是如果考虑死区时间对功率管和输出二极管有效导通时间的影响，当死区时间td增大时，有效的占空比会减少，在输出负载相同的情况下，流过输出二极管的电流和谐振电感和变压器传能部分的电流

将增大，所以励磁电流和传能电流

是矛盾的，其有效值近似为：

图9 死区影响和励磁电流，谐振电流示意图

当LLC电路的谐振参数确定时，励磁电流就确定了，在满足公式1的情况下，考虑上下管的驱动特性偏差和驱动电路的延时偏差，保证功率管可靠性的前提下，我们应该尽可能减少死区时间。对于具体参数的模块：

其中

取20N60C3漏源电压VDS为50～200VDC时的近似值（150nF）和旁边并联电容220nF的和。从计算的结果看现在的死区时间190nS裕量很大，可以适当的减少，当190nS的死区时间时，54V/1000W，通过计算可得到谐振电流为：

而当死区时间改为120nS时， 谐振电流为6.528A

以80℃结温计算，两个功率管的损耗相差：

变压器的原副边电流，以及流过输出二极管的电流没找到合适的公式计算，但是通过仿真可以得到两个死区时间190nS和120nS时，变压器原边电流分别为5.6728A和5.6486A，变压器副边电流分别为：20.8A和20.7A，损耗相差很少，另外死区时间减少对功率管反向恢复电流也会有改善。

所以从计算结果看，死区时间由190nS减少到120nS对效率的改善比较小，约减少1W损耗，实际效果由测试结果进行验证。

当死区时间为190nS，测试模块的输出电压48～58V，负载在大于150W时，模块都工作ZVS状态，42V时要大于200W以上才可能实现ZVS如下图所示（在调频状态，上下管的ZVS状态近似）

图10 54V/100W上管导通

图11 54V/150W上管导通

如果死区改成120nS，测试到的上管开通波形如下图所示，功率要大于200W才能完全实现ZVS开通

图12 54V/100W上管导通

图13 54V/200W上管导通

从测试的结果看，死区时间从190nS减少到120nS，模块实现ZVS会有影响，轻载200W以下功率管的关断电压会高，功率管漏源极的电压拖尾，无法完全关断，在驱动上可以测试到一个电压平台。

我们对死区改动前后模块效率进行对比，测试到的结果如下表。

表2 死区190nS效率测试结果

 

输入功率(W)	输出电压(V)	输出电流(A)	输出功率(W)	效率(%)
1098.7	53.379	19.0428	1016.486	0.925171
983	53.397	17.0792	911.978	0.92775
871.2	53.417	15.1356	808.4983	0.928028
762.8	53.44	13.2428	707.6952	0.92776
650	53.461	11.2892	603.5319	0.928511
543.7	53.481	9.4072	503.1065	0.925338
437.9	53.501	7.5356	403.1621	0.920672
329.1	53.521	5.5704	298.1334	0.905905
225.4	53.543	3.7168	199.0086	0.882913
119	53.56	1.8076	96.81506	0.813572
11.2	53.579	0	0	0

 

表3 死区120nS效率测试结果

 

输入功率(W)	输出电压(V)	输出电流(A)	输出功率(W)	效率(%)
1087	53.371	18.87	1007.111	0.926505
985	53.387	17.1404	915.0745	0.92901
871.8	53.412	15.1848	811.0505	0.930317
762.2	53.428	13.2768	709.3529	0.930665
649.9	53.448	11.3088	604.4327	0.93004
543.5	53.47	9.4244	503.9227	0.927181
433.7	53.49	7.4704	399.5917	0.921355
328.5	53.512	5.5824	298.7254	0.909362
224.6	53.532	3.7132	198.775	0.885018
123.16	53.551	1.8884	101.1257	0.821092
10.99	53.566	0	0	0

 

图14 死区优化效率对比

从测试的结果看，死区减少到120nS，模块的效率约提高了0.1％～0.15％，这和计算的结果是吻合的。