如何避免LLC諧振轉換器中的MOSFET出現故障

　　為了降低能源成本，設備設計人員正在不斷尋找優(yōu)化功率密度的新方法。通常情況下，電源設計人員通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低功耗和縮小系統尺寸。由于具有諸多優(yōu)勢如寬輸出調節范圍、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 諧振轉換器應用越來(lái)越普遍。但是，功率 MOSFET 出現故障一直是LLC 諧振轉換器中存在的一個(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(dòng)、負載瞬變，和輸出短路。

　　圖1: LLC 諧振轉換器

　　LLC 諧振轉換器中的運行區域和模式

　　不同負載條件下LLC諧振轉換器的直流增益特性如圖2所示。根據不同的運行頻率和負載條件可以分為三個(gè)區域。諧振頻率fr1右側(藍色部分)為零電壓開(kāi)關(guān)區域， 空載情況下最小次級諧振頻率 fr2的左側(紅色部分)是零電流開(kāi)關(guān)區域。fr1與fr2之間的區域既可以是零電壓開(kāi)關(guān)區域，也可以是零電流開(kāi)關(guān)區域，視負載條件而定。紫色區域標識感性負載區域， 粉色區域標識容性負載區域。對于開(kāi)關(guān)頻率 fs

　　圖2:LLC 諧振轉換器的直流增益特性

　　在導通MOSFET之前，電流流過(guò)其他MOSFET的體 二極管。當MOSFET開(kāi)關(guān)導通時(shí)，其他MOSFET體二極管的反向恢復應力非常嚴重。高反向恢復電流尖峰流過(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期間造成器件故障。因此，轉換器應該避免在容性區域運行。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(kāi)關(guān) (ZVS) 處導通。導通開(kāi)關(guān)損耗被最小化，原因是存在米勒效應并且 MOSFET 輸入電容不會(huì )因為米勒效應而增大。此外，體二極管反向恢復電流是一小部分正弦波，并在開(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)，原因是因反向恢復電流及其結電容的放電，零電壓開(kāi)關(guān)能夠避免較大的開(kāi)關(guān)損耗和應力 。

　　圖3:LLC 諧振轉換器中的工作模式

　　LLC諧振轉換器中的故障模式

　　1)啟動(dòng)

　　在啟動(dòng)期間，由于反向恢復dv/dt，零電壓開(kāi)關(guān)運行可能會(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。這些空電容導致Q2體二極管進(jìn)一步導通并且在Q1導通前不會(huì )完全恢復。反向恢復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MOSFET

　　減少諧振電容器

　　控制高側和低側MOSFET的驅動(dòng)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(guò)極高的電流。當發(fā)生輸出短路時(shí)，Lm在諧振中被分流。LLC 諧振轉換器可由 Cr 和 Lr簡(jiǎn)化為串聯(lián)諧振回路，因為Cr僅與Lr共振。這種狀況通常會(huì )導致零電流開(kāi)關(guān)運行(電容模式)。零電流開(kāi)關(guān)運行最嚴重的缺陷是導通時(shí)的硬式整流，可能導致二極管反向恢復應力(dv/dt) 和巨大的電流和電壓應力，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(guò)壓應力破壞。

　　圖5：輸出短路期間LLC 諧振轉換器中的波形

　　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)流保護電流

　　圖6：反向恢復期間的導通柵極電阻效應

　　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(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 在反向恢復特性方面的改進(jìn)。與一般MOSFET (FCH072N60) 相比，FRFET 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MOSFET從FRFET變?yōu)橐话?MOSFET，低側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 ，FRFET MOSFET在LLC諧振半橋轉換器中提供更高的可靠性 。