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。在本文中，我们将阐述如何避免这些情况下出现MOSFET 故障。
    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。

    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

    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54V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