溫室效應和日漸枯竭的地球資源使得功率電路設計中的節能要求變得越來越重要。設計人員正在尋求效率更高、功耗更低的解決方案，以期減少不必要的能量損失。利用諧振電感和諧振電容的LLC 諧振轉換器，使用零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)可獲得更加高效的解決方案。雖然LLC諧振轉換器具有更高的效率，采用不連續模式(DCM)或臨界導通模式(BCM)工作的次級端MOSFET的電流可能引起功率損耗。本文將討論如何使用次級端同步整流器電路來降低功率損耗，探討使用次級端電流使MOSFET同步導通和關斷的控制方法，以及使用LLC初級端柵極信號來控制MOSFET的電壓和導通時間的方法。
I. 前言：半橋LLC轉換器
為了獲得更高的功效，與200W到800W雙管正激轉換器相比，LLC諧振轉換器的初級端MOSFET能夠輕易達到零電壓開關(ZVS)，以期節省能量，并且獲得更高的效率。此外，LLC諧振轉換器使用獨特的部件，能夠省略次級端的儲能電感，優于雙管正激轉換器的方案，并減小在印刷電路板上的占位面積。由于LLC諧振轉換器的特性，將會以臨界導通模式(BCM)或不連續模式(DCM)處理次級端電流，電流峰值將會大于雙管正激轉換器的電流峰值。下面將介紹幾種使用不同的檢測信號來控制MOSFET導通和關斷的方法。
II. 同步整流器控制方法的分析
在LLC諧振轉換器控制次級端整流器時，尤其是在關斷的過程中，MOSFET導通和關斷的控制定時是非常重要的。我們可以使用檢測LLC諧振轉換器初級端或次級端的電流或電壓信號的方式，來確定MOSFET導通的區域。圖1為LLC轉換器的同步整流電路圖。我們使用所示的電壓和電流符號，介紹四種在次級端同步整流器關斷過程中控制MOSFET的方法。
圖1. LLC轉換器的同步整流器電路圖
1. 檢測次級端電流(IDS1和IDS2)
通過檢測MOSFET的電流，可利用次級端同步整流器來控制MOSFET導通和關斷的時間，如圖2和3所示。由于需要檢測IDS1和IDS2，需要增加一個電流互感器(Current Transformer, CT)，從MOSFET信號中獲取控制信息。與初級端電流相比，次級端電流要大些，所以電流互感器的匝數比很大。最后，設計人員可以使用電阻將分離的電流信號變換成電壓信號，并將其發送至邏輯電路來控制MOSFET器件。
圖2所示為使用兩個電流互感器來檢測電流信號，圖3所示為使用一個電流互感器來檢測電流信號的情況，在這個設計中，電路布局受到更多的限制，但是省去了一個電流互感器并且節省了線路板面積。
圖2. 使用雙電流互感器檢測同步整流器電流
圖3. 使用單一電流互感器檢測同步整流器電流
圖4所示為每個相位的情況，該相位使用由電流互感器的檢測電流轉換而來的電壓，以便控制MOSFET波形和GATE信號。設定的電平用作控制MOSFET導通和關斷的基點。圖5所示為一個電流互感器檢測到電流后的兩個相位，轉換成電壓以確定MOSFET導通和關斷的波形。我們觀察到電流互感器檢測到的波形是交流信號VXN，并且具有一個不同的輸出負載波形。在輕負載下，次級端電流集中在開關周期的終端，所以，控制MOSFET的GATE打開信號的時間會更短。如果輸出電流繼續降低，電流互感器檢測到的電流將會減小，我們可以使用檢測到的電平來確定在輕負載或無負載情況下關斷同步整流器的時間。
圖4. 雙電流互感器控制同步整流器的波形
圖5. 單一電流互感器控制同步整流器的波形
雖然使用電流互感器檢測電流信號能夠控制MOSFET導通和關斷的時間，但還是存在不足。通過監測流過電流互感器次級端的電流來檢測信號，會少許增大電流互感器的電流損耗，略微降低SR的效率。如果是這樣，在發生最輕微的過負載時必須關斷同步整流器的功能，設計人員必需在兩個電路相位反轉和交替時仔細監測電流。
2. 檢測次級端同步整流器電壓VDET
使用電流互感器檢測次級端電流，可以方便地控制MOSFET，但為了避免電流互感器上的損耗，可以使用另一種檢測方法。為此，在檢測MOSFET導通時，利用RDSON上的電壓來揭示MOSFET電流的直接比率。這樣在MOSFET導通時檢測了電壓，并且提供了一種控制關斷時間的方法。MOSFET導通定時使用了跨越MOSFET的體二極管。當次級端電流相位轉換時，電流通過MOSFET，使其關斷。使用這些條件來控制MOSFET的導通定時，MOSFET上的電壓將會降低二極管的正向電壓VF。如圖6所示，當IDS開始通過MOSFET的體二極管時，MOSFET上的電壓VDET為負，觸發發出GATE信號來導通MOSFET。在GATE導通時，可以觀察到VDET下降，電壓為RDSON*IDS。
圖6. 同步整流器的VDS波形
該檢測方法可與使用電流互感器檢測電流的方法相媲美，防止電流互感器之間和電流互感器上的能量損失，并精確地控制電流互感器的使用。這種方法最適合LLC次級端同步整流器。重要的是保證檢測VDET 信號到控制電路之間的間隔不能太長，可能由于線路內電感的寄生效應造成信號的失真，此外，需要控制的信號會受到干擾。選擇最低的MOSFET RDSON和最小的過載輸出是控制MOSFET關斷定時的簡便方法。
3. 檢測次級端同步整流器的導通周期
在MOSFET導通時，可以使用與檢測V?DS相同的方法來檢測VDET電壓。通過檢測VDS導通時間，并且在MOSFET導通后VDET處于接近0V的低電壓下，可以測量同步整流器的導通時間(tDETL)，在這段時間內，DETL低于低電平(大約1~2V)。該信息用來確定同步整流器柵極針對下一個開關周期的關斷時間。為什么能夠使用這個功能，原因是LLC拓撲的高側和低側開關占空比是對稱的，在穩定狀態下，開關頻率不會有大的變化。控制導通的定時使用了MOSFET的體二極管，MOSFET先導通，然后斷開。
圖7所示為這種控制方式。在過程開始時獲取信息作為控制MOSFET關斷的方法，這種方法使GATE較早關斷，以防止由于某些原因而造成MOSFET晚關斷。在MOSFET導通且受到噪聲和連線的一些干擾時，這種方式比直接檢測VDET上微小負電壓的方式更加穩定。由于電流低至0A，tDEAD的周期(從GATE關斷的定時到IDS的定時)將變長，減低同步整流器的活動性可以改善能效。
圖7. 同步整流器的VDS波形
4. 使用LLC諧振轉換器初級端柵極信號的同步控制
使用LLC諧振轉換器初級端柵極信號的同步控制是最直接的控制方法。使用由初級高側和低側信號計算而來的GATE信號，并將結果提供給次級端，控制相應的次級端MOSFET的導通和關斷。如圖8所示，處理高側和低側的額外信號后，使用邏輯電路發送信號來控制次級端的MOSFET。注意，VHG和VLG的信號不能直接從計算導出，最有效的方法是使用LLC的信號來生成VHG和VLG信號，控制初級端的MOSFET。因為在大多數情況下，相應的次級端MOSFET需要早于初級端MOSFET關斷，原始的LLC控制信號不能直接驅動MOSFET，必須發送一個新信號。
圖8. 使用初級端LLC信號控制同步整流器電路
使用這種檢測方法時必須滿足兩點要求：
A. 當在II區域中使用LLC時，由于可能出現諧振電流IL低于磁性電流IM，這會使IP為零并且造成初級端和次級端的去耦合。去耦合的主要條件是次級端二極管關斷。所以，如果要改變同步整流器電路，需要在這一時間間隔內關斷MOSFET。我們無法通過監測初級端LLC控制的信號來了解該現象何時出現，所以必須添加功能，早些關斷SR，以阻止電流反向。
B. 當LLC系統工作于I區域時，從圖9我們能夠找出初級端GATE信號與次級端電流的關系。當低側MOSFET關斷時，次級端的相應電流還沒有降到零，所以，雖然次級端沒有出現相位立即改變的情況，但會發生相位置換的情況。工作于I區域的現象和相位置換時間的長度將會伴隨過載的交換。因此，當使用初級端信號來控制同步整流器時，設計人員應增加功能，以推遲同步整流(SR)的導通和關斷。這樣會確保這種情況不會發生并且能夠防止同步整流器受到初級端諧振電流的損壞。圖10所示為正常工作的同步整流器波形。
圖9. 次級端和初級端LLC信號的繞組電壓波形
圖10. 同步整流器波形和初級端LLC信號
III．結論
最后，表1給出了四種檢測方法。從邏輯上講，當MOSFET導通時，就控制而言，檢測電流會比檢測VDET容易。最復雜的方法是與LLC信號同步，這要求增加功能，以改善I區域和II區域的情況。檢測電流需要使用電流互感器（CT），而使用初級端LLC的信號則需要電壓互感器（PT）。因此，各種因素更加難以控制。在布局設計過程中，設計人員在確定電流互感器的電流檢測方法以及MOSFET非常精確的RDSON電壓時必需非常仔細。因為檢測到的RDSON電壓大約為1mV至10mV，所以更易受到干擾。采用通過PT發送同步信號的初級端LLC信號方式，要求設計人員考慮噪聲問題。
如果同步整流器死區時間受到布局和已降低噪聲的影響，檢測RDSON電壓的方法可以使得變化最小。由于交換頻率的差異，檢測VDET所需的時間將改變同步整流器的死區時間。從安全方面考慮，該功能時間是最長的。與LLC信號同步的方法將根據I區域相位移動的改善程度來確定同步整流器的死區時間。高效設計的最終考慮因素表明同步整流器的死區時間越短，其工作效率越高。因為增加電流互感器來檢測電流會增加損耗，其效率將會低于檢測VDET時間的方法。因此，在設計過程中，我們可以選擇合適的檢測和控制功效的方法。
表1. 次級端繞組電壓波形和初級端LLC信號