原创 如何避免LLC 谐振转换器中的 MOSFET 出现故障

为了降低能源成本，设备设计人员正在不断寻找优化功率密度的新方法。通常情况下，电源设计人员通过增大开关频率来降低功耗和缩小系统尺寸。由于具有诸多优势如宽输出调节范围、窄开关频率范围以及甚至在空载情况下都能保证零电压开关，LLC 谐振转换器（图 1）应用越来越普遍。但是，功率 MOSFET 出现故障一直是LLC 谐振转换器中存在的一个问题。初级 MOSFET 的不良体二极管性能可能导致一些意想不到的系统或器件故障，如在各种异常条件下发生严重的直通电流、体二极管 dv/dt、击穿 dv/dt，以及栅极氧化层击穿，异常条件诸如启动、负载瞬变，和输出短路。在本博文中，我们将阐述如何避免这些 情况下出现MOSFET 故障。

图1: LLC 谐振转换器

LLC 谐振转换器中的运行区域和模式

不同 负载条件下 LLC 谐振转换器的直流增益特性如图 2所示。根据不同的 运行频率和 负载条件可以分为三个区域。谐振 频率 fr1右侧（蓝色部分）为零电压开关区域， 空载情况下最小次级谐振频率 fr2的左侧（红色部分）是 零电流开关区域。fr1与 fr2之间的区域既可以是 零电压开关区域，也可以是零电流开关区域，视负载条件而定。紫色区域标识感性负载区域， 粉色区域标识容性负载区域。对于开关频率 fs<fr2，谐振回路的输入 阻抗表示容性负载，而通过谐振电路的电流将基波电压施加到  MOSFET。MOSFET在零电流开关(ZCS)处关断，如图 3 (a)所示。

图2:LLC 谐振转换器的直流增益特性

在 导通 MOSFET 之前，电流流过其他 MOSFET 的体 二极管。当 MOSFET 开关 导通时，其他 MOSFET 体二极管的反向恢复应力 非常严重。高反向恢复 电流尖峰流过其他 MOSFET 开关 ，原因是它无法流过谐振电路。它形成高体二极管 dv/dt并且其电流和电压尖峰可能 在 体二极管反向恢复期间造成器件故障。因此，转换器应该避免 在容性区域运行。对于 fs>fr1，谐振回路的输入阻抗是 感性负载。如图 3 (b) 所示，MOSFET在 零电压开关 (ZVS) 处导通。导通 开关损耗被最小化，原因是存在米勒效应并且 MOSFET 输入电容不会因为 米勒效应而增大。此外，体二极管反向恢复电流 是一小部分正弦波，并在开关电流为正时变为 开关电流的一部分。因此， 零电压开关通常优先于零电流开关，原因是因反向恢复电流及其结电容的放电，零电压开关能够避免 较大的开关损耗和应力 。

图3:LLC 谐振转换器中的工作模式

LLC谐振转换器中的故障模式

1）启动

在启动期间，由于反向恢复 dv/dt，零电压开关运行可能会丢失并且 MOSFET可能发生故障。

在启动之前谐振电容和输出电容完全放电。这些空电容导致Q2 体二极管进一步导通并且在 Q1 导通前不会完全恢复。反向恢复电流非常 高并且在启动期间足以造成直通问题，如图 4 所示。

图4: 启动期间LLC 谐振转换器中的波形

启动期间，推荐用于故障模式的解决方案是：

• 采用快速恢复 MOSFET
• 减少谐振电容器
• 控制高侧和低侧 MOSFET 的驱动信号，从而形成完整的体二极管恢复

2）输出短路

在输出短路 期间，MOSFET 通过极高的电流。当发生输出短路 时，Lm在谐振中被分流。LLC 谐振 转换器可由 Cr 和 Lr简化为串联谐振回路，因为 Cr仅与 Lr共振。这种状况通常会导致零电流开关 运行（电容模式）。零电流开关运行最严重的缺陷是 导通时的硬式整流，可能导致 二极管反向恢复应力(dv/dt) 和巨大的电流和电压应力，如图 5 所示。另外，由于体二极管反向恢复期间的高 di/dt 和 dv/dt， 该器件还可能被栅极过压应力破坏。

图5：输出短路期间LLC 谐振转换器中的波形

启动期间，推荐用于故障模式的解决方案是：

• 采用快速恢复 MOSFET
• 增大导通电阻以减小反向恢复 di/dt 和 dv/dt、体二极管反向电流(Irm) 和峰值电压 Vgs，如图 6 所示
• 增加最小开关频率以防止电容模式
• 在发生输出短路后尽快减少 Vgs关断延迟
• 减小过流保护电流

图6：反向恢复期间的导通栅极电阻效应

图 7.：FRFET (FCH072N60F)和 一般 MOSFET (FCH072N60) 之间的反向恢复特性比较

将一般MOSFET 替换为快速恢复 MOSFET (FRFET® MOSFET) 非常简单有效，原因是不需要额外电路或 器件。图 7显示与一般 MOSFET 相比，  FRFET MOSFET 在反向恢复特性方面的改进。与一般 MOSFET (FCH072N60) 相比，FRFET MOSFET (FCH072N60F)的反向恢复电荷减少了90% 。FRFET MOSFET体二极管的耐用性比一般 MOSFET 好得多。此外，在反向恢复期间若高侧 MOSFET 从 FRFET 变为一般 MOSFET，低侧 MOSFET 的峰值栅源极电压从 54 V 降为 26 V。由于改进了这么多特性 ，FRFET MOSFET 在 LLC 谐振半桥转换器中提供更高的可靠性 。

有关更多SuperFET® II MOSFET 如何提供更高可靠性和效率的信息，请访问以下应用指南： 650 V 快速恢复 SuperFET II MOSFET 能够提高谐振拓扑的系统效率和可靠性。

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