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

信息來源:本站 日期:2022-02-21 

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【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。


LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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 。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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


LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

圖6:反向恢復期間的導通柵極電阻效應(yīng)


LLC諧振轉(zhuǎn)換器 MOSFET

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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