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高效可靠LED街灯照明电源设计

类别:行业知识 发布时间:2012-04-09

  相较于传统的照明技术,LED灯具有较高的效率,及更长的使用寿命。因而成为首选的灯泡类型,以期减少室内/外照明的能耗。事实上,对于街灯而言,更高的效率和更长的寿命对于降低成本是不可或缺的。为LED灯供电而设计的开关电源也必须具有高效率和耐用性,以确保其具有与LED灯同样长的免维护使用期。在这裡,谐振转换器是最流行的电源拓扑之一,这是因为相较于先前的电源拓扑,它们的性能带来了更高的电源效率,并可减少EMI。软开关是谐振转换器的一项重要特点。但谐振转换器中使用寄生二极体(body diode)有时会导致系统失效。储存在寄生二极体中的电荷必须被完全清除,以避免出现大电流和电压突波,包括拓扑结构中的高dv/dt和高di/dt。因此,功率MOSFET的关键参数如Qrr和反向恢復dv/dt,会直接对谐振转换器的动态性能产生影响。本文将探讨针对LED街灯照明的开关电源之整体解决方案。新的谐振控制器结合新的功率开关,可为LED照明电源提供高效解决方案,同时不会影响转换器的耐用性和成本效率。
  谐振转换器实现高效率
  市场上已经有多款DC-DC功率转换拓扑可用来减少功率转换损耗、MOSFET元件应力和射频干扰(radio frequency interference, RFI),同时实现高功率密度。其中,採用MOSFET的寄生二极体来实现零电压开关(zero voltage switching, ZVS)的谐振转换器,已获业界证实为可达到更高效率的有效元件。特别地,由于次级端没有电感器,LLC谐振转换器可在高输入电压下达到高效率,并且次级整流管上的电压应力较低。此外,即便空载条件下,LLC谐振转换器也能确保零电压开关的工作。ZVS技术能够大幅地减少转换损耗并大幅提高效率。零电压开关也显着地减少了开关杂讯,允许使用小型电磁干扰滤波器。鉴于这些独特的特性,LLC谐振转换器正成为一种广为业界所採用的拓扑,用于包括LED街灯的众多应用之中。FAN7621S提供了建构可靠、稳健LLC谐振转换器所需的全部功能,包含高端闸极驱动电路、精确的电流受控振盪器、频率限制电路、软启动和内建的保护功能,能够简化设计和提高生产力。它所提供的多种保护功能包括了过压和过流保护(OVP/OCP)、异常过流保护(AOCP)和内部过热关断(TSD)功能。
  鉴于LED街灯照明的特殊应用要求,所有的保护功能可以自动重新启动,高端闸极驱动电路具有共模消噪性能和优良的抗噪性能,以确保工作时的稳定性。即便使用最新的谐振控制器,在短路输出状况下,转换器的工作点可以移入零电流开关(ZCS)区域。图1所示为工作点的移动状况。在此一状况下,ZVS丢失而MOSFET上流过极大的电流。ZCS工作的最严重缺点是在启动时发生硬开关,这会导致MOSFET寄生二极体产生反向恢復应力。寄生二极体在很大的dv/dt下关断,因而,在非常大的di/dt下,会产生很大的反向恢復电流突波,这些突波电流的幅度可以超过稳态电流的十倍以上。大电流会带来相当大的损耗增加并使MOSFET发热。而后,MOSFET的dv/dt性能由于结点温度上升而下降,在极端状况下,可能会毁掉MOSFET并导致系统失效。
  
  最新的MOSFET技术
  典型状况下,MOSFET寄生二极体具有很长的反向恢復时间和较大的反向恢復电荷。儘管性能不佳,在某些应用如谐振转换器中,寄生二极体仍被当作续流(freewheeling)二极体使用,因为它能够简化电路,不会增加系统成本。由于越来越多的应用使用本质寄生二极体(intrinsic body diode)来当作系统的关键元件,快捷半导体深入分析了MOSFET的失效机制,针对谐振转换器设计了全新且高度优化的功率MOSFET产品,提升了寄生二极体的稳健性并减少了输出电容的储能。如表1所述,相较于其它方案,全新UniFET II MOSFET系列的反向恢復电荷(Qrr)明显地少了50%和88%。
  MOSFET的电容是非线性的并且依赖于漏源电压,因为它的电容本质上是一种结电容。对于软开关应用,MOSFET输出电容可当作谐振元件使用。当MOSFET导通时,储存在变压器中的磁能转化为电流流动,使得MOSFET的输出电容放电,以便达到ZVS工作的条件。因此,若MOSFET输出电容中储能较少,则为达到软开关而所需的谐振能量也较少,不需要增加循环能量(circulating energy)。相较于导通电阻相同的其它竞争对手的元件,在典型的开关电源大电容电压下,UniFET II MOSFET系列在输出电容中的储能减少约35%。输出电容中储存能量的特性如图2所示。
  

  对谐振转换器的效益
  二极体从导通状态变化至反向阻断状态的转换过程称为反向恢復。在二极体正向导通期间,电荷被储存在二极体的P-N结中。当施加反向电压时,所储存的电荷会被消除,从而返回到阻断状态。可通过两种现象消除储存的电荷:大反向电流的流过和重组(recombination)。在此过程中,二极体中产生大反向恢復电流。就MOSFET寄生二极体来说,某些反向恢復电流就在N+源极下流动。图3显示了在寄生二极体反向恢復期间MOSFET的失效波形。对于竞争产品A,失效就发生在电流水準达到最大反向恢復电流后,即dv/dt为6.87V/ns。这意味着峰值电流触发了寄生双极结晶体管(BJT),但UniFET II MOSFET系列则能避免,直到dv/dt达到更高的14.32V/ns。
  
  图4显示了UniFET II MOSFET系列坚固的寄生二极体如何在输出短路下提高转换器的可靠性。在输出短路后,工作模式从ZVS转变为ZCS。由于Qrr更小,UniFET II MOSFET系列的电流突波降低了很多,而最重要的是,元件并未失效。

  转换器的其它异常模式可能发生在启动阶段。图5显示了启动阶段的开关电流波形。电流突波的高峰值超过27A,是由大的反向恢復电流所引起的。它可以触发控制IC的保护功能。相反地,UniFET II MOSFET系列则不会出现大的电流突波。

  为了比较UniFET II MOSFET系列和竞争产品的功率转换效率,我们设计了一款150W的LLC谐振半桥转换器。效率测试结果请参见图6在整个输入电压範围内,系统的效率高于竞争的MOSFET系统。效率较高的主要塬因是具有更低的Qg和Eoss,从而减少了关断损耗和输出电容性损耗。
  
  全新功率MOSFET系列结合了扎实的本质寄生二极体之性能和快速开关特性,目的是在谐振转换器应用中达到更好的可靠性和效率。由于降低了闸极充电电荷和输出电容的储能,降低了驱动损耗,开关效率也因而提升。UniFET II MOSFET系列以最低成本为设计人员提供了更好的可靠性和效率。
(本文转自电子工程世界:http://www.eeworld.com.cn/LED/2012/0407/article_6746.html)

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