如何避免LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的MOSFET出現(xiàn)故障

為了降低能源成本，設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在不斷尋找優(yōu)化功率密度的新方法。通常情況下，電源設(shè)計(jì)人員通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低功耗和縮小系統(tǒng)尺寸。由于具有諸多優(yōu)勢(shì)如寬輸出調(diào)節(jié)范圍、窄開(kāi)關(guān)頻率范圍以及甚至在空載情況下都能保證零電壓開(kāi)關(guān)，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用越來(lái)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(gè)問(wèn)題。在本文中，我們將闡述如何避免這些情況下出現(xiàn)MOSFET 故障。

初級(jí) MOSFET 的不良體二極管性能可能導(dǎo)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(yán)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(dòng)、負(fù)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(yùn)行區(qū)域和模式

不同負(fù)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(yùn)行頻率和負(fù)載條件可以分為三個(gè)區(qū)域。諧振頻率fr1右側(cè)(藍(lán)色部分)為零電壓開(kāi)關(guān)區(qū)域， 空載情況下最小次級(jí)諧振頻率 fr2的左側(cè)(紅色部分)是零電流開(kāi)關(guān)區(qū)域。fr1與fr2之間的區(qū)域既可以是零電壓開(kāi)關(guān)區(qū)域，也可以是零電流開(kāi)關(guān)區(qū)域，視負(fù)載條件而定。紫色區(qū)域標(biāo)識(shí)感性負(fù)載區(qū)域， 粉色區(qū)域標(biāo)識(shí)容性負(fù)載區(qū)域。對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率 fs

圖2:LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的直流增益特性

在導(dǎo)通MOSFET之前，電流流過(guò)其他MOSFET的體 二極管。當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其他MOSFET體二極管的反向恢復(fù)應(yīng)力非常嚴(yán)重。高反向恢復(fù)電流尖峰流過(guò)其他MOSFET開(kāi)關(guān)，原因是它無(wú)法流過(guò)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(fù)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(yùn)行。對(duì)于 fs>fr1，諧振回路的輸入阻抗是感性負(fù)載。如圖 3 (b) 所示，MOSFET在零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 處導(dǎo)通。導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗被最小化，原因是存在米勒效應(yīng)并且 MOSFET 輸入電容不會(huì)因?yàn)槊桌招?yīng)而增大。此外，體二極管反向恢復(fù)電流是一小部分正弦波，并在開(kāi)關(guān)電流為正時(shí)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)電流的一部分。因此， 零電壓開(kāi)關(guān)通常優(yōu)先于零電流開(kāi)關(guān)，原因是因反向恢復(fù)電流及其結(jié)電容的放電，零電壓開(kāi)關(guān)能夠避免較大的開(kāi)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(dòng)

在啟動(dòng)期間，由于反向恢復(fù)dv/dt，零電壓開(kāi)關(guān)運(yùn)行可能會(huì)丟失并且MOSFET可能發(fā)生故障。

在啟動(dòng)之前諧振電容和輸出電容完全放電。這些空電容導(dǎo)致Q2體二極管進(jìn)一步導(dǎo)通并且在Q1導(dǎo)通前不會(huì)完全恢復(fù)。反向恢復(fù)電流非常高并且在啟動(dòng)期間足以造成直通問(wèn)題，如圖4所示。

圖4: 啟動(dòng)期間LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中的波形

啟動(dòng)期間，推薦用于故障模式的解決方案是：

采用快速恢復(fù)MOSFET

減少諧振電容器

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

2)輸出短路

在輸出短路期間MOSFET通過(guò)極高的電流。當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí)，Lm在諧振中被分流。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可由 Cr 和 Lr簡(jiǎn)化為串聯(lián)諧振回路，因?yàn)镃r僅與Lr共振。這種狀況通常會(huì)導(dǎo)致零電流開(kāi)關(guān)運(yùn)行(電容模式)。零電流開(kāi)關(guān)運(yùn)行最嚴(yán)重的缺陷是導(dǎo)通時(shí)的硬式整流，可能導(dǎo)致二極管反向恢復(fù)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(fù)期間的高 di/dt 和 dv/dt，該器件還可能被柵極過(guò)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(dòng)期間，推薦用于故障模式的解決方案是：

采用快速恢復(fù)MOSFET

增大導(dǎo)通電阻以減小反向恢復(fù)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

增加最小開(kāi)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(guò)流保護(hù)電流

圖6：反向恢復(fù)期間的導(dǎo)通柵極電阻效應(yīng)

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

將一般MOSFET替換為快速恢復(fù)MOSFET (FRFET? MOSFET) 非常簡(jiǎn)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(fù)特性方面的改進(jìn)。與一般MOSFET (FCH072N60) 相比，F(xiàn)RFET MOSFET (FCH072N60F)的反向恢復(fù)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(fù)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(jìn)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 。