【圖文】LLC諧振轉(zhuǎn)換器中MOSFET如何避免出現(xiàn)故障？-KIA MOS管

通常情況下，電源設(shè)計人員通過增大開關(guān)頻率來降低功耗和縮小系統(tǒng)尺寸。由于具有諸多優(yōu)勢如寬輸出調(diào)節(jié)范圍、窄開關(guān)頻率范圍以及甚至在空載情況下都能保證零電壓開關(guān)，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用越來越普遍。

但是，功率 MOSFET 出現(xiàn)故障一直是LLC諧振轉(zhuǎn)換器中存在的一個問題。本文將闡述如何避免這些情況下出現(xiàn)MOSFET 故障。

初級 MOSFET 的不良體二極管性能可能導致一些意想不到的系統(tǒng)或器件故障，如在各種異常條件下發(fā)生嚴重的直通電流、體二極管 dv/dt、擊穿 dv/dt，以及柵極氧化層擊穿，異常條件諸如啟動、負載瞬變，和輸出短路。

圖1: LLC 諧振轉(zhuǎn)換器

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的運行區(qū)域和模式

不同負載條件下LLC諧振轉(zhuǎn)換器的直流增益特性如圖2所示。根據(jù)不同的運行頻率和負載條件可以分為三個區(qū)域。

諧振頻率fr1右側(cè)(藍色部分)為零電壓開關(guān)區(qū)域， 空載情況下次級諧振頻率 fr2的左側(cè)(紅色部分)是零電流開關(guān)區(qū)域。fr1與fr2之間的區(qū)域既可以是零電壓開關(guān)區(qū)域，也可以是零電流開關(guān)區(qū)域，視負載條件而定。

紫色區(qū)域表示感性負載區(qū)域， 粉色區(qū)域表示容性負載區(qū)域。對于開關(guān)頻率 fs<fr2，諧振回路的輸入阻抗表示容性負載，而通過諧振電路的電流將基波電壓施加到MOSFET。

MOSFET在零電流（ZCS）處關(guān)斷，如圖3（a）所示。

圖2:LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的直流增益特性

在導通MOSFET之前，電流流過其他MOSFET的體二極管。當MOSFET開關(guān)導通時，其他MOSFET體二極管的反向恢復應(yīng)力非常嚴重。

高反向恢復電流尖峰流過其他MOSFET開關(guān)，原因是它無法流過諧振電路。它形成高體二極管dv/dt并且其電流和電壓尖峰可能在體二極管反向恢復期間造成器件故障。

因此，轉(zhuǎn)換器應(yīng)該避免在容性區(qū)域運行。對于 fs>fr1，諧振回路的輸入阻抗是感性負載。如圖 3 (b) 所示，MOSFET在零電壓開關(guān) (ZVS) 處導通。

導通開關(guān)損耗被化，原因是存在米勒效應(yīng)并且 MOSFET 輸入電容不會因為米勒效應(yīng)而增大。此外，體二極管反向恢復電流是一小部分正弦波，并在開關(guān)電流為正時變?yōu)殚_關(guān)電流的一部分。

因此， 零電壓開關(guān)通常優(yōu)先于零電流開關(guān)，原因是因反向恢復電流及其結(jié)電容的放電，零電壓開關(guān)能夠避免較大的開關(guān)損耗和應(yīng)力 。

圖3:LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的工作模式

LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的故障模式

1)啟動

在啟動期間，由于反向恢復dv/dt，零電壓開關(guān)運行可能會丟失并且MOSFET可能發(fā)生故障。

在啟動之前諧振電容和輸出電容完全放電。這些空電容導致Q2體二極管進一步導通并且在Q1導通前不會完全恢復。反向恢復電流非常高并且在啟動期間足以造成直通問題，如圖4所示。

圖4: 啟動期間LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的波形

啟動期間，推薦用于故障模式的解決方案是：

采用快速恢復MOSFET

減少諧振電容器

控制高側(cè)和低側(cè)MOSFET的驅(qū)動信號，從而形成完整的體二極管恢復

2)輸出短路

在輸出短路期間MOSFET通過極高的電流。當發(fā)生輸出短路時，Lm在諧振中被分流。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可由 Cr 和 Lr簡化為串聯(lián)諧振回路，因為Cr僅與Lr共振。這種狀況通常會導致零電流開關(guān)運行(電容模式)。

零電流開關(guān)運行嚴重的缺陷是導通時的硬式整流，可能導致二極管反向恢復應(yīng)力(dv/dt) 和巨大的電流和電壓應(yīng)力，如圖5所示。

另外，由于體二極管反向恢復期間的高 di/dt 和 dv/dt，該器件還可能被柵極過壓應(yīng)力破壞。

圖5：輸出短路期間LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的波形

啟動期間，推薦用于故障模式的解決方案是：

采用快速恢復MOSFET

增大導通電阻以減小反向恢復di/dt和dv/dt、體二極管反向電流(Irm) 和峰值電壓Vgs，如圖6所示

增加開關(guān)頻率以防止電容模式

在發(fā)生輸出短路后盡快減少 Vgs關(guān)斷延遲

減小過流保護電流

圖6：反向恢復期間的導通柵極電阻效應(yīng)

圖 7.：FRFET (FCH072N60F)和 一般 MOSFET (FCH072N60) 之間的反向恢復特性比較

將一般MOSFET替換為快速恢復MOSFET (FRFET? MOSFET) 非常簡單有效，原因是不需要額外電路或器件。圖7顯示與一般 MOSFET相比， FRFET MOSFET 在反向恢復特性方面的改進。

與一般MOSFET (FCH072N60) 相比，F(xiàn)RFET MOSFET (FCH072N60F)的反向恢復電荷減少了90% 。FRFET MOSFET體二極管的耐用性比一般MOSFET好得多。

此外，在反向恢復期間若高側(cè)MOSFET從FRFET變?yōu)橐话?MOSFET，低側(cè)MOSFET的峰值柵源極電壓從54V降為26 V。由于改進了這么多特性 ，F(xiàn)RFET MOSFET在LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器中提供更高的可靠性 。

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