共源共栅碳化硅结型场效应晶体管(Cascode SiC JFET,简称 CJFET)兼具高耐压、低导通损耗、开关速度快及栅极电荷低(0−12 V 栅极驱动)等优势,在 LLC 谐振变换器中极具应用潜力。然而,其关断时较高的电压变化率(dv/dt)易激发持续振铃,导致电压过冲、电磁干扰(EMI),极端情况下甚至引发振荡。尤其在高于谐振频率的工况下,初级侧开关电流往往较大(例如 750 V 器件可达 30 A 以上),该问题更为突出。
外部 Cds 对死区时间要求的影响
为了维持 LLC 变换器初级侧开关的零电压导通(ZVS),在施加栅极驱动电压导通器件之前,必须将开关节点处的总电容完全放电。假设在关断瞬态期间开关电流保持恒定,ZVS所需的最小过渡时间Ttr由以下公式给出:

(公式1)
其中, Coss(tr)为功率器件数据手册中规定的时间相关输出电容。如公式 1 所示,外加 Cds 会增加所需的最小过渡时间。同样以 NTBT023N075CJ4 为例,根据公式 2 计算得出的有无外加 Cds 时所需的最小 Ttr 曲线如图 1 所示。为了维持ZVS,死区时间 Tdt 必须长于该 Ttr 。因此,该曲线给出了栅极控制器生成的 PWM 信号所需死区时间 Tdt 的理论最小值。在实际设计中,还需要增加一定的裕量,以应对由以下因素引起的器件栅极信号时序偏移误差:栅极驱动路径延迟不一致、器件在导通与关断栅极电压下的阈值电压差异,以及导通/关断电阻不平衡等。这一裕量的设定是一项系统设计决策,需要综合考量栅极驱动路径的元器件选型、导通/关断栅极电压设置以及 PCB 布局布线等多种因素。

图 1. 不使用和使用不同外部 Cds 时维持 ZVS 所需的最小死区时间
沿用上一节的示例,当开关电流为 10 A 且外加 220 pF 的 Cds 以控制 dv/dt 时,约 35 ns 的过渡时间 Ttr 即已足够。为给器件栅极处的时序容差留出裕量,本应用笔记的测试环境中采用了 75 ns 的死区时间 Tdt。
使用外部 Cds 降低功率损耗
在许多应用中,LLC变换器需要工作在高于其谐振频率的开关频率下。在这些情况下,开关器件不仅需要关断励磁电流,还需要关断负载电流(折算到初级侧)。由于关断dv/dt随开关电流增大而升高,建议使用RC或纯电容缓冲电路来限制高电流关断工况下的dv/dt。
如果在 LLC 变换器中使用电容缓冲电路(C-snubber)并维持零电压导通(ZVS),则不会产生额外的开关损耗。相反,由于关断瞬态电流被分流至缓冲电路,它还有助于降低开关损耗。关断期间存储在缓冲电路中的能量,会在该开关再次导通前回馈至母线,因此缓冲电容不会产生额外的功率损耗。图 2 的实测波形清晰地说明了这种漏极电流的分流现象。
在关断瞬态期间,部分负载电流(原理图中的 ILoad )被上桥臂和下桥臂的缓冲电容 C1与 C2 分流(即Ics1 和 Ics2)。由于这种电流分流,流入器件本身的电流( IDUT)随之减小。因此,电压与电流的重叠面积减小,关断开关损耗也随之降低。

图2. 波形对比展示了利用缓冲电路实现的关断电流分流
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