相較于傳統的照明技術，LED燈具有較高的效率，及更長的使用壽命。因而成為首選的燈泡類型，以期減少室內/外照明的能耗。事實上，對于街燈而言，更高的效率和更長的壽命對于降低成本是不可或缺的。為LED燈供電而設計的開關電源也必須具有高效率和耐用性，以確保其具有與LED燈同樣長的免維護使用期。在這裡，諧振轉換器是最流行的電源拓撲之一，這是因為相較于先前的電源拓撲，它們的性能帶來了更高的電源效率，并可減少EMI。軟開關是諧振轉換器的一項重要特點。但諧振轉換器中使用寄生二極體（body diode）有時會導致系統失效。儲存在寄生二極體中的電荷必須被完全清除，以避免出現大電流和電壓突波，包括拓撲結構中的高dv/dt和高di/dt。因此，功率MOSFET的關鍵參數如Qrr和反向恢復dv/dt，會直接對諧振轉換器的動態性能產生影響。本文將探討針對LED街燈照明的開關電源之整體解決方案。新的諧振控制器結合新的功率開關，可為LED照明電源提供高效解決方案，同時不會影響轉換器的耐用性和成本效率。
諧振轉換器實現高效率
市場上已經有多款DC-DC功率轉換拓撲可用來減少功率轉換損耗、MOSFET元件應力和射頻干擾（radio frequency interference， RFI），同時實現高功率密度。其中，採用MOSFET的寄生二極體來實現零電壓開關（zero voltage switching， ZVS）的諧振轉換器，已獲業界證實為可達到更高效率的有效元件。特別地，由于次級端沒有電感器，LLC諧振轉換器可在高輸入電壓下達到高效率，并且次級整流管上的電壓應力較低。此外，即便空載條件下，LLC諧振轉換器也能確保零電壓開關的工作。ZVS技術能夠大幅地減少轉換損耗并大幅提高效率。零電壓開關也顯著地減少了開關雜訊，允許使用小型電磁干擾濾波器。鑒于這些獨特的特性，LLC諧振轉換器正成為一種廣為業界所採用的拓撲，用于包括LED街燈的眾多應用之中。FAN7621S提供了建構可靠、穩健LLC諧振轉換器所需的全部功能，包含高端閘極驅動電路、精確的電流受控振盪器、頻率限制電路、軟啟動和內建的保護功能，能夠簡化設計和提高生產力。它所提供的多種保護功能包括了過壓和過流保護（OVP/OCP）、異常過流保護（AOCP）和內部過熱關斷（TSD）功能。
鑒于LED街燈照明的特殊應用要求，所有的保護功能可以自動重新啟動，高端閘極驅動電路具有共模消噪性能和優良的抗噪性能，以確保工作時的穩定性。即便使用最新的諧振控制器，在短路輸出狀況下，轉換器的工作點可以移入零電流開關（ZCS）區域。圖1所示為工作點的移動狀況。在此一狀況下，ZVS丟失而MOSFET上流過極大的電流。ZCS工作的最嚴重缺點是在啟動時發生硬開關，這會導致MOSFET寄生二極體產生反向恢復應力。寄生二極體在很大的dv/dt下關斷，因而，在非常大的di/dt下，會產生很大的反向恢復電流突波，這些突波電流的幅度可以超過穩態電流的十倍以上。大電流會帶來相當大的損耗增加并使MOSFET發熱。而后，MOSFET的dv/dt性能由于結點溫度上升而下降，在極端狀況下，可能會毀掉MOSFET并導致系統失效。
最新的MOSFET技術
典型狀況下，MOSFET寄生二極體具有很長的反向恢復時間和較大的反向恢復電荷。儘管性能不佳，在某些應用如諧振轉換器中，寄生二極體仍被當作續流（freewheeling）二極體使用，因為它能夠簡化電路，不會增加系統成本。由于越來越多的應用使用本質寄生二極體（intrinsic body diode）來當作系統的關鍵元件，快捷半導體深入分析了MOSFET的失效機制，針對諧振轉換器設計了全新且高度優化的功率MOSFET產品，提升了寄生二極體的穩健性并減少了輸出電容的儲能。如表1所述，相較于其它方案，全新UniFET II MOSFET系列的反向恢復電荷（Qrr）明顯地少了50％和88％。
MOSFET的電容是非線性的并且依賴于漏源電壓，因為它的電容本質上是一種結電容。對于軟開關應用，MOSFET輸出電容可當作諧振元件使用。當MOSFET導通時，儲存在變壓器中的磁能轉化為電流流動，使得MOSFET的輸出電容放電，以便達到ZVS工作的條件。因此，若MOSFET輸出電容中儲能較少，則為達到軟開關而所需的諧振能量也較少，不需要增加循環能量（circulating energy）。相較于導通電阻相同的其它競爭對手的元件，在典型的開關電源大電容電壓下，UniFET II MOSFET系列在輸出電容中的儲能減少約35％。輸出電容中儲存能量的特性如圖2所示。
對諧振轉換器的效益
二極體從導通狀態變化至反向阻斷狀態的轉換過程稱為反向恢復。在二極體正向導通期間，電荷被儲存在二極體的P-N結中。當施加反向電壓時，所儲存的電荷會被消除，從而返回到阻斷狀態�？赏ㄟ^兩種現象消除儲存的電荷：大反向電流的流過和重組（recombination）。在此過程中，二極體中產生大反向恢復電流。就MOSFET寄生二極體來說，某些反向恢復電流就在N+源極下流動。圖3顯示了在寄生二極體反向恢復期間MOSFET的失效波形。對于競爭產品A，失效就發生在電流水準達到最大反向恢復電流后，即dv/dt為6.87V/ns。這意味著峰值電流觸發了寄生雙極結晶體管（BJT），但UniFET II MOSFET系列則能避免，直到dv/dt達到更高的14.32V/ns。
圖4顯示了UniFET II MOSFET系列堅固的寄生二極體如何在輸出短路下提高轉換器的可靠性。在輸出短路后，工作模式從ZVS轉變為ZCS。由于Qrr更小，UniFET II MOSFET系列的電流突波降低了很多，而最重要的是，元件并未失效。
轉換器的其它異常模式可能發生在啟動階段。圖5顯示了啟動階段的開關電流波形。電流突波的高峰值超過27A，是由大的反向恢復電流所引起的。它可以觸發控制IC的保護功能。相反地，UniFET II MOSFET系列則不會出現大的電流突波。
為了比較UniFET II MOSFET系列和競爭產品的功率轉換效率，我們設計了一款150W的LLC諧振半橋轉換器。效率測試結果請參見圖6在整個輸入電壓範圍內，系統的效率高于競爭的MOSFET系統。效率較高的主要塬因是具有更低的Qg和Eoss，從而減少了關斷損耗和輸出電容性損耗。
全新功率MOSFET系列結合了扎實的本質寄生二極體之性能和快速開關特性，目的是在諧振轉換器應用中達到更好的可靠性和效率。由于降低了閘極充電電荷和輸出電容的儲能，降低了驅動損耗，開關效率也因而提升。UniFET II MOSFET系列以最低成本為設計人員提供了更好的可靠性和效率。
