用于LED街燈照明系統(tǒng)的高效率高可靠性電源設計

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燈供電的開關電源也應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。諧振轉換器是這種應用場合中最流行的電源拓撲之一，因為與以往的電源拓撲相比，諧振轉換器可以提高功效并降低EMI。

軟開關是諧振轉換器的一個重要特性。不過使用諧振轉換器中的體二極管有時會導致系統(tǒng)故障。體二極管中存儲的電荷應完全釋放，以避免產(chǎn)生大電流和電壓尖峰，包括這些拓撲中很高的dv/dt和di/dt。因此，功率MOSFET的關鍵參數(shù)(如Qrr)和反向恢復dv/dt將直接影響諧振轉換器的動態(tài)性能。本文將要討論的是用于LED街燈照明的開關電源的總體解決方案。新的諧振控制器與新的功率開關組合在一起可以為LED照明電源提供高效解決方案，同時又不會降低轉換器的魯棒性和成本效益。

利用諧振轉換器實現(xiàn)高效率

有多種DC/DC電源轉換拓撲可以用來降低開關損耗、功率 MOSFET上的器件應力和射頻干擾(RFI)，同時實現(xiàn)很高的功率密度。在這些拓撲中，使用MOSFET的體二極管實現(xiàn)零電壓開關的諧振轉換器，可以實現(xiàn)更高的效率。特別是LLC諧振轉換器，它可以在高輸入電壓和次級整流器上的低電壓應力狀態(tài)下獲得高效率，這是因為次級沒有電感。另外，LLC諧振轉換器在沒有負載的條件下也能保證零電壓開關(ZVS)。零電壓開關技術能夠顯著降低開關損耗，同時大幅提高效率。此外，零電壓開關還能有效降低開關噪聲，從而允許使用小尺寸的電磁干擾濾波器。

由于具有這些獨特的性能，LLC諧振轉換器正在成為包括LED街燈照明在內(nèi)的許多應用的流行拓撲。 FAN7621S提供了構建可靠、耐用的LLC諧振轉換器所必需的一切條件。該器件包含了高壓側柵極驅動電路、精確的電流控制振蕩器、頻率限制電路、軟啟動和內(nèi)置保護功能，因此可以簡化設計、提高產(chǎn)能。

FAN7621S具有多種保護功能，如過壓和過流保護(OVP/OCP)、異常過流保護(AOCP)和內(nèi)部熱關斷(TSD)。鑒于LED街燈照明系統(tǒng)的特殊應用要求，所有保護都具有自啟動特性。高壓側柵極驅動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，最新諧振轉換器的工作點還可以移動到零電流開關(ZCS)區(qū)域。圖1顯示了工作點是如何移動的。在這種情況下，零電壓開關不再有效，MOSFET將傳導特別大的電流。零電流開關工作的最大缺點是導通點發(fā)生硬開關，這將導致MOSFET體二極管產(chǎn)生反向恢復應力。

圖1：根據(jù)負載條件發(fā)生移動的LLC諧振轉換器工作點

體二極管在很大的dv/dt時會關斷，從而產(chǎn)生一個高的反向恢復電流尖峰。這些尖峰要比穩(wěn)定狀態(tài)的電流幅度高出10倍。如此大的電流會導致?lián)p耗增加，并使 MOSFET升溫。而結點溫度的上升將導致MOSFET的dv/dt性能下降。在極端情況下，可能會損壞MOSFET，并致使系統(tǒng)故障。最新的MOSFET技術

MOSFET的體二極管一般具有很長的反向恢復時間和很大的反向恢復電荷。盡管性能較差，但這種體二極管常被用作續(xù)流二極管，因為其電路簡單，在諧振轉換器這樣的應用中不會增加系統(tǒng)成本。隨著越來越多的應用將固有體二極管用作系統(tǒng)中的關鍵元件，飛兆半導體在深入分析MOSFET故障機制的條件下，為諧振轉換器設計出了一款高度優(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電荷(Qrr)大幅減少了50%和80%。

表1：待測器件的關鍵指標比較

MOSFET的電容是非線性的，取決于漏-源極電壓，因為MOSFET電容實際上就是結點電容。在軟開關應用中，MOSFET輸出電容可以用作諧振元件。當MOSFET導通時，為了支持零電壓開關，從變壓器存儲的磁能中提取的電流將發(fā)生流動，從而給MOSFET輸出電容放電。因此，如果MOSFET輸出電容存儲的能量較小，達到軟開關所要求的諧振能量就較小，不會增加循環(huán)能量。與典型開關電源大電容電壓下導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的能量要少大約35%。輸出電容存儲的能量基準如圖2所示。

圖2：輸出電容存儲的能量諧振轉換器的好處

二極管從導通狀態(tài)到反向阻塞狀態(tài)的開關過程被稱為反向恢復。在二極管的前向導通過程中，電荷被存儲在二極管的P-N結中。當施加反向電壓時，存儲的電荷應釋放掉以恢復到阻塞狀態(tài)。存儲電荷通過兩種現(xiàn)象釋放：大反向電流的流動和重新結合。在這個過程中，二極管中將產(chǎn)生很大的反向恢復電流

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