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关于LLC同步整流方案的讨论

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电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-20 10:53:18
100问答币
最近要做一款同步整流LLC,输出40V/140A,两路交错,相当于一路70A,我这里有两个成熟的分立器件方案,如下图所示:第一种方案:图1

图1

图1

因为原图比较凌乱,现重新整理以便阅读:图2

图2

图2

第二种方案:图3

图3

图3

这两个方案的基本原理都清楚,但是很多细节不太清楚,望大家能指点一二。主要疑惑如下:
1、方框图1中采用二极管并电容的目的是什么?这里会增加压降,仿真显示15V供电到驱动只有9.3V
2、此处放两个二极管的目的?
3、此处放两个三极管的目的?注意此处并不是图腾柱放大,PNP管的射极接地,代表PNP管任何时候都不会导通,那接上去有何作用?
4、这个小电容有何作用?
5、本来如果不接二极管和电容,这个电阻我感觉不需要,但是现在驱动关断时如果不加放电会比较慢,也难放到0.

6、这个二极管也不知道什么作用
7、原图两个互锁MOS的驱动并没有接,根据推测我画成了图2所示的接法。
8、两种分立器件的方案有何区别?性能、可靠性有什么差异?
9、其实两种方案最左边的三极管都是接成了二极管的用法,换成二极管不知道性能有多大差异?
10、分立器件方案和专用IC方案比较性能有什么差异?现在哪种更主流一点?
最后再咨询一个小问题,如下图所示:

图4

图4

这里电阻R13有什么作用?




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1、方框图1中采用二极管并电容的目的是什么?这里会增加压降,仿真显示15V供电到驱动只有9.3V 虽然这两个二极管会降低最高驱动电压,但是也降低了最低驱动电压。如果没有这部分电路,电路中多达3级的驱动结构估计在2V左右就没有灌电流能力了。加入这两个二极管和电容之后MOSFET的驱动基本可以拉低到0V。 2、此处放两个二极管的目的? 原电路利用了三极管发射结二极管的压降,但是三极管发射结耐压太低,不够用,所以额外串入一个二 ...
nc965
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版主
  • 2020-2-20 11:57:15
 
先说效果如何
电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-20 12:00:54
 
我没用过,所以才来问撒
电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-20 13:17:54
 
没人高人来指点下吗?
Preston
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-20 22:01:22
 
1、方框图1中采用二极管并电容的目的是什么?这里会增加压降,仿真显示15V供电到驱动只有9.3V
虽然这两个二极管会降低最高驱动电压,但是也降低了最低驱动电压。如果没有这部分电路,电路中多达3级的驱动结构估计在2V左右就没有灌电流能力了。加入这两个二极管和电容之后MOSFET的驱动基本可以拉低到0V。
2、此处放两个二极管的目的?
原电路利用了三极管发射结二极管的压降,但是三极管发射结耐压太低,不够用,所以额外串入一个二极管来保证耐压。为了对称,两个三极管都要串入二极管。
3、此处放两个三极管的目的?注意此处并不是图腾柱放大,PNP管的射极接地,代表PNP管任何时候都不会导通,那接上去有何作用?
人认为这个就是图腾柱,发射极接地应该是图画错了。再说,就算PNP三极管的发射极和集电极交换使用,在一定条件下它仍有三极管的特性。
4、这个小电容有何作用?
估计是调节驱动时序或增加驱动稳定性的,避免驱动抖动。
5、本来如果不接二极管和电容,这个电阻我感觉不需要,但是现在驱动关断时如果不加放电会比较慢,也难放到0.
为了让问题1中的二极管+电容的电路能起到预期作用,电容需要有不对称的充放电路径。这个电阻应该是不能省掉的。
6、这个二极管也不知道什么作用
这个二极管的功能不是十分确定。如果选一个低正向压降的二极管用在这里,应该可以理解为贝克钳位,避免那个三极管深度饱和,加快其关断速度。
7、原图两个互锁MOS的驱动并没有接,根据推测我画成了图2所示的接法。
个人估计,原电路并没有互锁设置,两个驱动的屏蔽信号应该是与初级侧驱动同步。
8、两种分立器件的方案有何区别?性能、可靠性有什么差异?
两个电路的原理基本是一样的,只是驱动级有差异。从性能上说,第二个方案的检测部分精度好一些,功率驱动能力弱一些。
9、其实两种方案最左边的三极管都是接成了二极管的用法,换成二极管不知道性能有多大差异?
其实电路是利用了两个三极管的结压降一致性来达到一定的精度,甚至推荐这两个三极管共封装以降低工作时的温度差异来保证参数一致性。不建议直接替换为二极管。
10、分立器件方案和专用IC方案比较性能有什么差异?现在哪种更主流一点?
通常,IC的各方面性能都要好一些。
最后再咨询一个小问题,这里电阻R13有什么作用?
R13可以在输入信号为高阻时降低三极管漏电流,在一定噪声条件下保证三极管的关断状态。

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acer77e
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LV3
助理工程师
  • 2020-2-21 09:15:33
 
原理图太乱 看的很吃力 所以没有人愿意回答 必须整理一个完整的原理图
bake_ql
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-21 22:04:53
 
基本上这个原理相同的电路用过,用在Oring控制还行,但是用在高速开关上我觉得效果不好;
电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-22 16:11:23
  • 倒数8
 
为什么呢?效果没有专用IC好吗?
bake_ql
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-22 22:53:34
  • 倒数5
 
我的个人理解,仅供参考,这里本质上还是做比较器,比较MOS管两端的电压差,也就是利用两个NPN三极管Vbe的差做控制,和直接用比较器没有本质区别,当然喜欢分类器件的会觉得自由和参数可调可控,但这个电路参数调整需要比较细心才能到达最好效果,器件多,可靠性不如IC,IC也就是把这些器件缩小了放进去,后去Totem pole 驱动,直接一个low side驱动就好了吧!

下面说效果,这里检测Vds电压,因MOSFET package 电感存在,所以检测的值和实际值不同,会导致SR Ton时间偏小,当然也有人研究补偿网络,那样问题更复杂了;
电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-22 16:10:42
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图2和图3给你整理的还不清楚吗?
电台司令33
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LV8
副总工程师
  • 2020-2-22 16:07:32
  • 倒数10
 
我用PSPICE做了一个仿真,器件选型跟图1中一样。同步整流MOSFET我用脉冲电压源来替代,脉冲电源幅值-40V~0.1V,频率100kHz,占空比50%。仿真原理图见下图(图4)
图4.png
1、方框图1中采用二极管并电容的目的是什么?这里会增加压降,仿真显示15V供电到驱动只有9.3V
虽然这两个二极管会降低最高驱动电压,但是也降低了最低驱动电压。如果没有这部分电路,电路中多达3级的驱动结构估计在2V左右就没有灌电流能力了。加入这两个二极管和电容之后MOSFET的驱动基本可以拉低到0V。
这个同意,MOSFET驱动确实会拉低点,但是由于前面二极管D5(参考图4)的存在,还拉不到0,后面会详细分析,
仿真结果见下图(图5)

图5.png
2、此处放两个二极管的目的?
原电路利用了三极管发射结二极管的压降,但是三极管发射结耐压太低,不够用,所以额外串入一个二极管来保证耐压。为了对称,两个三极管都要串入二极管。
串了二极管之后怎么保证反向电压在二极管和三极管发射结之间的分配呢?仿真显示反向电压大部分加在发射结上,大约28.6V,而发射结的反向耐压只有6V。仿真结果见下图(图6)。
图6.png
3、此处放两个三极管的目的?注意此处并不是图腾柱放大,PNP管的射极接地,代表PNP管任何时候都不会导通,那接上去有何作用?
人认为这个就是图腾柱,发射极接地应该是图画错了。再说,就算PNP三极管的发射极和集电极交换使用,在一定条件下它仍有三极管的特性。
我认为驱动能力是受限于最后一个图腾柱的NPN管的最大集电极电流,因为图腾柱三极管工作在放大状态,在不超过最大集电极电流情况下,可以减小驱动电阻来增加驱动能力,所以这里还没搞明白。
4、这个小电容有何作用?
估计是调节驱动时序或增加驱动稳定性的,避免驱动抖动。
确实有增加延时的作用,仿真结果见下图(图7),绿色为加了100pF电容,红色未加。
图7.png
5、本来如果不接二极管和电容,这个电阻我感觉不需要,但是现在驱动关断时如果不加放电会比较慢,也难放到0.
为了让问题1中的二极管+电容的电路能起到预期作用,电容需要有不对称的充放电路径。这个电阻应该是不能省掉的。
确实是这样,不加这个电阻电容电压无法建立。仿真结果见下图(图8):
图8.png
6、这个二极管也不知道什么作用
这个二极管的功能不是十分确定。如果选一个低正向压降的二极管用在这里,应该可以理解为贝克钳位,避免那个三极管深度饱和,加快其关断速度。
确实这里加的是肖特基功率二极管,小电流时正向压降很低,类似贝克钳位,防止三极管进入深度饱和,但是你说能加快关断速度我不认同,因为加了二极管后,Q2(参考图4)集电极电压会抬高,整个驱动电路灌电流能力减弱,反而让关断速度变慢,并且MOSFET驱动电压无法拉倒0,所以这里加二极管没有想明白。仿真结果见下图(图9):红色代表去掉二极管之后的驱动波形
图9.png
7、原图两个互锁MOS的驱动并没有接,根据推测我画成了图2所示的接法。
个人估计,原电路并没有互锁设置,两个驱动的屏蔽信号应该是与初级侧驱动同步。
这个估计是这样,初级侧驱动来屏蔽同步整流驱动应该更安全可靠,但如果是模拟方案控制芯片在初级侧,并且没有采用驱动变压器的话,我觉得这种方式也可行。
8、两种分立器件的方案有何区别?性能、可靠性有什么差异?
两个电路的原理基本是一样的,只是驱动级有差异。从性能上说,第二个方案的检测部分精度好一些,功率驱动能力弱一些。
我怎么感觉第一种方案检测精度更好一点,因为两个三极管的发射结压降更匹配,三极管射极稍微有一点点压差,驱动电路就会动作。第二种方案三极管发射结和集电结本来特性就不一样,精度怎么能做好?
9、其实两种方案最左边的三极管都是接成了二极管的用法,换成二极管不知道性能有多大差异?
其实电路是利用了两个三极管的结压降一致性来达到一定的精度,甚至推荐这两个三极管共封装以降低工作时的温度差异来保证参数一致性。不建议直接替换为二极管。
这个同意。
10、分立器件方案和专用IC方案比较性能有什么差异?现在哪种更主流一点?
通常,IC的各方面性能都要好一些。
之前用TEA1795T来做,轻载时输出电压波形也不好,调了很多参数都不管用,不知道怎么回事。
11、最后再咨询一个小问题,这里电阻R13有什么作用?
R13可以在输入信号为高阻时降低三极管漏电流,在一定噪声条件下保证三极管的关断状态。
这里为什么要强调输入信号高阻呢?



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Preston
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关于问题2:串入的二极管并不需要保证两个结的分压,只需要限制发射结的功耗即可。两个结的瞬态分压由结电容决定,稳态分压由漏电流决定。但是不管分压结果是什么,串入额外的二极管后都可以保证三极管发射结的功耗足够小,保证了发射结的安全。
关于问题3:重温一下最大集电极电流的定义,并不是集电极无法流过更大的电流,而是这个最大集电极电流对应了特定的三极管增益的变化。这个电路最后一级图腾柱的输出能力,取决于前级的驱动能力和本级的增益。如果电路没有那个中间级,那么前级的驱动能力对最终的驱动效果影响很大。

关于问题6:这个二极管的意义,是避免那个三极管进入饱和区,也就避免了存储效应,三极管的关断速度加快。但是如果这个二极管不是理想二极管,那么它的结电容引入的负反馈会导致关断速度变慢。最终的驱动电压变化速度是这两个因素综合作用的结果。你仿真时加入二极管后关断延迟,应该是受结电容影响。建议选择不同结电容的二极管对比一下仿真结果。

关于问题8:第一种方案由于加入了额外的两个二极管,所以精度还受二极管结温一致性和参数一致性的影响。方案二只受三极管一致性的影响。三极管两个结的压降差异,由三极管设计和工艺决定,需要咨询半导体原厂。

关于问题11:只有在输入信号为高阻时,那个电阻才有意义。如果输入信号是低阻,那么原理图上来看,电阻的作用完全可以由前级的灌电流代替。


电台司令33
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  • 2020-2-22 18:02:14
  • 倒数6
 
问题2:即使能保证三极管反射结功耗足够小,但是反向耐压超了一样会引起击穿损坏。问题3:前级驱动电流是mA级别,可能确实不够。
问题6:后面仿真再验证。
问题8:第一种方案的二极管也是共封装,一致性应该不成问题。
问题11:明白了。




Preston
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副总工程师
  • 2020-2-23 19:38:02
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问题2:击穿不一定就会损坏,电击穿往往可以恢复。是否损坏还是看结温——也就是功耗。

电台司令33
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请教下,三极管的存储效应是怎么回事?没听过,这个效应怎么就让三极管关断变慢了?

Preston
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  • 2020-3-3 16:47:49
  • 倒数2
 
大概我描述不太准确。。
相关具体内容可以百度搜索“贝克钳位”
电台司令33
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副总工程师
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  • 2020-4-2 22:29:32
  • 倒数1
 
这个大致懂了,并且通过仿真也验证了结果,并联一个小信号肖特基二极管确实能加快关断速度,但是结电容会起反作用,所以尽量要选取小封装的(结电容小),低压降的。兄台,还有几个问题想咨询一下,具体看看我这个帖子,http://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=317956&pid=1332702&page=1&extra=#pid1332702
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