用于LED街燈照明系統(tǒng)的高效率高可靠性電源設(shè)計(jì)

LED可提供比傳統(tǒng)照明光源更高的效率和更長的壽命，因此，該技術(shù)正在成為降低室內(nèi)或室外照明能耗的最新解決方案，在要求以更低成本實(shí)現(xiàn)更高效率和更長壽命的街燈照明系統(tǒng)中同樣如此，為LED燈供電的開關(guān)電源也應(yīng)該具有很高的效率和耐用性，以確保維持與LED燈具相同的工作壽命。諧振轉(zhuǎn)換器是這種應(yīng)用場合中最流行的電源拓?fù)渲?，因?yàn)榕c以往的電源拓?fù)湎啾?，諧振轉(zhuǎn)換器可以提高功效并降低EMI。

軟開關(guān)是諧振轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要特性。不過使用諧振轉(zhuǎn)換器中的體二極管有時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。體二極管中存儲(chǔ)的電荷應(yīng)完全釋放，以避免產(chǎn)生大電流和電壓尖峰，包括這些拓?fù)渲泻芨叩膁v/dt和di/dt。因此，功率MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)(如Qrr)和反向恢復(fù)dv/dt將直接影響諧振轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能。本文將要討論的是用于LED街燈照明的開關(guān)電源的總體解決方案。新的諧振控制器與新的功率開關(guān)組合在一起可以為LED照明電源提供高效解決方案，同時(shí)又不會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的魯棒性和成本效益。

利用諧振轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高效率

有多種DC/DC電源轉(zhuǎn)換拓?fù)淇梢杂脕斫档烷_關(guān)損耗、功率 MOSFET上的器件應(yīng)力和射頻干擾(RFI)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)很高的功率密度。在這些拓?fù)渲?，使用MOSFET的體二極管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的諧振轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。特別是LLC諧振轉(zhuǎn)換器，它可以在高輸入電壓和次級(jí)整流器上的低電壓應(yīng)力狀態(tài)下獲得高效率，這是因?yàn)榇渭?jí)沒有電感。另外，LLC諧振轉(zhuǎn)換器在沒有負(fù)載的條件下也能保證零電壓開關(guān)(ZVS)。零電壓開關(guān)技術(shù)能夠顯著降低開關(guān)損耗，同時(shí)大幅提高效率。此外，零電壓開關(guān)還能有效降低開關(guān)噪聲，從而允許使用小尺寸的電磁干擾濾波器。

由于具有這些獨(dú)特的性能，LLC諧振轉(zhuǎn)換器正在成為包括LED街燈照明在內(nèi)的許多應(yīng)用的流行拓?fù)洹?FAN7621S提供了構(gòu)建可靠、耐用的LLC諧振轉(zhuǎn)換器所必需的一切條件。該器件包含了高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路、精確的電流控制振蕩器、頻率限制電路、軟啟動(dòng)和內(nèi)置保護(hù)功能，因此可以簡化設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)能。

FAN7621S具有多種保護(hù)功能，如過壓和過流保護(hù)(OVP/OCP)、異常過流保護(hù)(AOCP)和內(nèi)部熱關(guān)斷(TSD)。鑒于LED街燈照明系統(tǒng)的特殊應(yīng)用要求，所有保護(hù)都具有自啟動(dòng)特性。高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路具有共模噪聲抵消功能，這種優(yōu)秀的抗噪聲能力能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。在輸出短路狀態(tài)時(shí)，最新諧振轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)還可以移動(dòng)到零電流開關(guān)(ZCS)區(qū)域。圖1顯示了工作點(diǎn)是如何移動(dòng)的。在這種情況下，零電壓開關(guān)不再有效，MOSFET將傳導(dǎo)特別大的電流。零電流開關(guān)工作的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通點(diǎn)發(fā)生硬開關(guān)，這將導(dǎo)致MOSFET體二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)應(yīng)力。

圖1：根據(jù)負(fù)載條件發(fā)生移動(dòng)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作點(diǎn)

體二極管在很大的dv/dt時(shí)會(huì)關(guān)斷，從而產(chǎn)生一個(gè)高的反向恢復(fù)電流尖峰。這些尖峰要比穩(wěn)定狀態(tài)的電流幅度高出10倍。如此大的電流會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，并使 MOSFET升溫。而結(jié)點(diǎn)溫度的上升將導(dǎo)致MOSFET的dv/dt性能下降。在極端情況下，可能會(huì)損壞MOSFET，并致使系統(tǒng)故障。最新的MOSFET技術(shù)

MOSFET的體二極管一般具有很長的反向恢復(fù)時(shí)間和很大的反向恢復(fù)電荷。盡管性能較差，但這種體二極管常被用作續(xù)流二極管，因?yàn)槠潆娐泛唵?，在諧振轉(zhuǎn)換器這樣的應(yīng)用中不會(huì)增加系統(tǒng)成本。隨著越來越多的應(yīng)用將固有體二極管用作系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，飛兆半導(dǎo)體在深入分析MOSFET故障機(jī)制的條件下，為諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)出了一款高度優(yōu)化的功率MOSFET。這種MOSFET提高了體二極管的耐用性，而且輸出電容中存儲(chǔ)的能量較少。如表1所示，與替代方案相比，新型UniFET II MOSFET系列器件的反向恢復(fù)電荷(Qrr)大幅減少了50%和80%。

表1：待測器件的關(guān)鍵指標(biāo)比較

MOSFET的電容是非線性的，取決于漏-源極電壓，因?yàn)镸OSFET電容實(shí)際上就是結(jié)點(diǎn)電容。在軟開關(guān)應(yīng)用中，MOSFET輸出電容可以用作諧振元件。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，為了支持零電壓開關(guān)，從變壓器存儲(chǔ)的磁能中提取的電流將發(fā)生流動(dòng)，從而給MOSFET輸出電容放電。因此，如果MOSFET輸出電容存儲(chǔ)的能量較小，達(dá)到軟開關(guān)所要求的諧振能量就較小，不會(huì)增加循環(huán)能量。與典型開關(guān)電源大電容電壓下導(dǎo)通電阻相同的競爭性器件相比，UniFET II MOSFET系列器件的輸出電容存儲(chǔ)的能量要少大約35%。輸出電容存儲(chǔ)的能量基準(zhǔn)如圖2所示。

圖2：輸出電容存儲(chǔ)的能量諧振轉(zhuǎn)換器的好處

二極管從導(dǎo)通狀態(tài)到反向阻塞狀態(tài)的開關(guān)過程被稱為反向恢復(fù)。在二極管的前向?qū)ㄟ^程中，電荷被存儲(chǔ)在二極管的P-N結(jié)中。當(dāng)施加反向電壓時(shí)，存儲(chǔ)的電荷應(yīng)釋放掉以恢復(fù)到阻塞狀態(tài)。存儲(chǔ)電荷通過兩種現(xiàn)象釋放：大反向電流的流動(dòng)和重新結(jié)合。在這個(gè)過程中，二極管中將產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流

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