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常见MOSFET失效模式的分析与解决方法 提高功率密度已经成为电源变换器的发展趋势。为达到这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系 统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(SMPS)而言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关(ZCS) 拓扑允许采用高频开关技术，可以 大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开 关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降 低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC 谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种 主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务 器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半 桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极 管的MOSFET，才能获得更高的可靠性。 【导读】提高功率密度已经成为电源 变换器 的发展 趋势 。为达到这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系 统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(S MPS )而言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关( ZC S) 拓扑允许采用高频开关技术，可以 大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开 关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降 低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC 谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种 主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务 器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半 桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极 管的 MOSFET ，才能获得更高的可靠性。 在功率变换市场中，尤其对于通信/服务器电源应用，不 断提高功率密度和追求更高效率已经成为具挑战性的 议题。对于功率密度的提高，普遍方法就是提高开关 频率，以便降低无源器件的尺寸。零电压开关(ZVS)拓 扑因具有极低的开关损耗、较低的器件应力而允许采用 高开关频率以及较小的外形，从而越来越受到青睐 。这些谐振变换器以正弦方式对能量进行处理，开 关器件可实现软开闭，因此可以大大地降低开关损耗和 噪声。在这些拓扑中，相移ZVS全桥拓扑在中、高功率 应用中得到了广泛采用，因为借助 功率MOSFET 的等效 输出 电容 和 变压器 的漏感可以使所有的开关工作在ZVS 状态下，无需额外附加辅助开关。然而，ZVS范围非常 窄，续流电流消耗很高的循环能量。近来，出现了关于 相移全桥拓扑中功率MOSFET失效问题的讨论。这种 失效的主要原因是：在低反向电压下，MSOFET体二极 管的反向恢复较慢。另一失效原因是：空载或轻载情况 下，出现Cdv/dt直通。在LLC谐振变换器中的一个潜在 失效模式与由于体二极管反向恢复特性较差引起的直通 电流相关。即使功率MOSFET的电压和电流处于安全工作区域，反向恢复dv/dt和击穿dv/dt也会在如启动、 过载和输出短路的情况下发生。 LLC谐振半桥变换器 LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有如下优势： ■宽输出调节范围，窄开关频率范围 ■ƒ即使空载情况下，可以保证ZVS ■ƒ利用所有的寄生元件，来获得ZVS LLC谐振变换器可以突破传统谐振变换器的局限。正是 由于这些原因，LLC谐振变换器被广泛应用在电源供电 市场。LLC谐振半桥变换器拓扑如图1所示，其典型波 形如图2所示。图1中，谐振电路包括电容Cr和两个与之 串联的电感Lr和Lm。作为电感之一，电感Lm表示变压器 的励磁电感，并且与 谐振电感 Lr和谐振电容Cr共同形成 一个谐振点。重载情况下，Lm会在反射负载RLOAD的作用 下视为完全短路，轻载情况下依然保持与谐振电感Lr串 联。因此，谐振频率由负载情况决定。Lr 和Cr决定谐振 频率fr1，Cr和两个电感Lr 、Lm决定第二谐振频率fr2，随 着负载的增加，谐振频率随之增加。谐振频率在由变压 器和谐振电容Cr决定的大值和小值之间变动，如公 式1、2所示。 LLC谐振变换器的失效模式 启动失效模式 图3和图4给出了启动时功率MOSFET前五个开关波形。 在变换器启动开始前，谐振电容和输出电容刚好完全放电。与正常工作状况相比，在启动过程中，这些空电容会使低端开关Q2的体二极管深度导通。因此流经开关 Q2体二极管的反向恢复电流非常高，致使当高端开关 Q1导通时足够引起直通问题。启动状态下，在体二极管 反向恢复时，非常可能发生功率MOSFET的潜在失效。 图5给出了LLC谐振半桥变换器启动时的简化波形。 图6给出了可能出现潜在器件失效的工作模式。在t0~t1时 段，谐振电感电流Ir变为正。由于MOSFET Q1处于导通 状态，谐振电感电流流过MOSFET Q1 沟道。当Ir开始上 升时，次级二极管D1导通。因此，式3给出了谐振电感 电流Ir的上升斜率。因为启动时vc(t)和vo(t)为零，所有的 输入电压都施加到谐振电感Lr的两端。这使得谐振电流剧增。 在t1~ t 2时段，MOSFET Q1门极驱动信号关断，谐振电感 电流开始流经MOSFET Q2的体二极管，为MOSFET Q2产生 ZVS条件。这种模式下应该给MOSFET Q2施门极信号。由 于谐振电流的剧增，MOSFET Q2体二极管中的电流比正 常工作状况下大很多。导致了MOSFET Q2的P-N结上存储 更多电荷。 在t2~t3时段，MOSFET Q2施加门极信号，在t0~t1时段 剧增的谐振电流流经MOSFET Q2沟道。由于二极管D1 依然导通，该时段内谐振电感的电压为： 该电压使得谐振电流ir(t)下降。然而， 很小，并不足以在这个时间段 内使电流反向。在t3时刻，MOSFET Q2电流依然从源 极流向漏极。另外，MOSFET Q2的体二极管不会恢复，因为漏源极之间没有反向电压。下式给出了谐振 电感电流Ir的上升斜率： 在t3~t4时段，谐振电感电流经MOSFET Q2体二极管续 流。尽管电流不大，但依然给MOSFET Q2的P-N结增加 储存电荷。 在t4~t5时段，MOSFET Q1通道导通，流过非常大的直 通电流，该电流由MOSFET Q2体二极管的反向恢复电 流引起。这不是偶然的直通，因为高、低端MOSFET正 常施加了门极信号;如同直通电流一样，它会影响到该 开关电源。这会产生很大的反向恢复dv/dt，有时会击穿 MOSFET Q2。这样就会导致MOSFET失效，并且当采 用的MOSFET体二极管的反向恢复特性较差时，这种失 效机理将会更加严重。 过载失效模式 图7给出了不同负载下LLC谐振变换器的直流增益特性 曲线。根据不同的工作频率和负载可以分为三个区域。 谐振频率fr1的右侧(蓝框)表示ZVS区域，空载时小 第二谐振频率fr2的左侧(红框)表示ZCS区域，fr1和fr2 之间的可能是ZVS或者ZCS，由负载状况决定。所以紫 色的区域表示感性负载，粉色的区域表示容性负载。图 8给出了感性和容性负载下简化波形。当开关频率 fs

焊锡珠的产生原因及解决方法     焊锡珠现象是表面贴装生产中主要缺陷之一，它的直径约为0.2-0.4mm，主要集中出现在片状阻容元件的某一侧面，不仅影响板级产品的外观，更为严重的是由于印制电路板上元件密集，在使用过程中它会造成短路现象，从而影响电子产品的质量。因此弄清它产生的原因，并力求对其进行最有效的控制就显得犹为重要了。     焊锡珠产生的原因是多种因素造成的，再流焊中的温度时间，焊膏的印刷厚度，焊膏的组成成分，模板的制作，装贴压力，外界环境都会在生产过程中各个环节对焊锡珠形成产生影响。     焊锡珠是在负责制板通过再流焊炉时产生的。再流焊曲线可以分为四个阶段，分别为：预热、保温、再流和冷却。预热阶段的主要目的是为了使 印制电路板 和上面的表贴元件升温到120-150度之间，这样可以除去焊膏中易挥发的溶剂，减少对元件的热振动。因此，在这一过程中焊膏内部会发生气化现象，这时如果焊膏中金属粉末之间的粘结力小于气化产生的力，就会有少量焊膏从焊盘上流离开，有的则躲到片状阻容元件下面，再流焊阶段，温度接近曲线的峰值时，这部分焊膏也会熔化，而后从片状阻容元件下面挤出，形成焊锡珠，由它的形成过程可见，预热温度越高，预热速度越快，就会加大气化现象中飞溅，也就越容易形成锡珠。因此，我们可以采取较适中的预热温度和预热速度来控制焊锡珠的形成。     焊膏的选用也影响着焊接质量，焊膏中金属的含量，焊膏的氧化物含量，焊膏中金属粉末的粒度，及焊膏在印制 电路板 上的印刷厚度都不同程度影响着焊锡珠的形成。     1：焊膏中的金属含量：焊膏中金属含量的质量比约为90-91％，体积比约为50％左右。当金属含量增加时，焊膏的粘度增加，就能更有效地抵抗预热过程中气化产生的力。另外，金属含量的增加，使金属粉末排列紧密，使其有更多机会结合而不易在气化时被吹散。金属含量的增加也可以减小焊膏印刷后的塌落趋势，因此不易形成焊锡珠。     2：焊膏中氧化物的含量：焊膏中氧化物含量也影响着焊接效果，氧化物含量越高，金属粉末熔化后结合过程中所受阻力就越大，再流焊阶段，金属粉末表面氧化物的含量还会增高，这就不利?quot;润湿"而导致锡珠产生。     3：焊膏中金属粉末的粒度，焊膏中的金属粉末是极细小的球状，直径约为20-75um，在贴装细间距和超细间距的元件时，宜用金属粉末粒度较小的焊膏，约在20-45um之间，焊粒的总体表面积由于金属粉末的缩小而大大增加。较细的粉末中氧化物含量较高，因而会使锡珠现象得到缓解。     4：焊膏在 印制电路板 上的印刷厚度：焊膏的印刷厚度是生产中一个主要参数，焊膏印刷厚度通常在0.15-0.20mm之间，过厚会导致"塌落"促进锡珠的形成。在制作模板时，焊盘的大小决定着模板上印刷孔的大小，通常，我们为了避免焊膏印刷过量，将印刷孔的尺寸制造成小于相应焊盘接触面积的10％。我们做过这样的实践，结果表明这会使锡珠现象有相当程度的减轻。     如果贴片过程中贴装压力过大，这样当元件压在焊膏上时，就可能有一部分焊膏被挤在元件下面，再流焊阶段，这部分焊膏熔化形成锡珠，因此，在贴装时应选择适当的贴装压力。     焊膏通常需要冷藏，但在使用前一定要使其恢复至室温方可打开包装使用，有时焊膏温度过低就被打开包装，这样会使其表面产生水分，焊膏中的水分也会导致锡金珠形成。     另外，外界的环境也影响锡珠的形成，我们就曾经遇到过此类情况，当印制电路板在潮湿的库房存放过久，在装印制电路板的真空袋中发现细小的水珠，这些水分都会影响焊接效果。因此，如果有条件，在贴装前将印制电路板和元器件进行高温烘干，这样就会有效地抑制锡珠的形成。     焊膏与空气接触的时间越短越好。这是使用焊膏的基本原则。     取出一部分焊膏后，立即盖好盖子，特别是里面的盖子一定要向下压紧，将盖子与焊膏之间空气全部挤净，否则几天就可能报废。     夏天空气温度大，当把焊膏从冷藏处取出时，一定要在室温下呆4-5小时再开后盖子。如焊膏在1-2个月短期内即可用完，建议不必冷藏，这样可即用即开。     夏天是最容易产生锡球的季节。     由此可见，影响锡珠的形成有诸多因素，只顾调整某一项参数是远远不够的。我们需要在生产过程中研究如何能控制各项因素，从而使焊接达到最好的效果。