LLC-MOSFET變換器的失效模式

由于LLC有眾多優(yōu)良特性，目前應(yīng)用越來(lái)越廣，例如adapter,LEDTV,telecompower,Lighting，medicalpower等等，甚至有些沒(méi)有PFC的低端充電器都用LLC做，其輸入電壓，輸出電流和輸出電壓都不是恒定電壓，可見(jiàn)工程師對(duì)LLC的愛(ài)有多深了。但是在平常的客戶拜訪中了解到LLC產(chǎn)品在產(chǎn)線或終端客戶經(jīng)常碰到低失效率的問(wèn)題，所以今天介紹一下LLC的MOSFET在開(kāi)機(jī)以及過(guò)載時(shí)的一個(gè)主要失效模式，這個(gè)話題有文章有講過(guò)，但是很多工程師并沒(méi)有刻意去了解過(guò)，今天再用中文總結(jié)一下。對(duì)于小功率的LLC，多以半橋?yàn)橹?，?jiǎn)單的示意圖如下。兩種工況，先看剛開(kāi)機(jī)的情況，剛上電時(shí)諧振電容Cr上的電壓沒(méi)有建立起來(lái)（穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，該電容的中點(diǎn)電壓應(yīng)該是1/2的BUS電壓），由于普通的LLCcontroller的占空比都是固定的50%，所以主變壓器的原邊可能會(huì)存在伏秒不平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致LLC的MOSFET硬開(kāi)關(guān)，典型波形如下，可以看到上管（HVG）打第二個(gè)PWM時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振腔的電流相位是不對(duì)的。

再來(lái)看過(guò)載/短路時(shí)，LLC工作在容性模式的情況，先看一張DCgain對(duì)應(yīng)的容性和感性區(qū)域的圖，當(dāng)開(kāi)光頻率低于第二諧振頻率fr2時(shí)就是容性區(qū)域。

下圖是一張工作在容性模式的圖，可以看到下管（LVG）的最后一個(gè)PWM開(kāi)通時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振腔電流相位也是不對(duì)的。分析了上面兩種工況，都是電流相位不對(duì)，MOSFET都存硬開(kāi)關(guān)，所謂硬開(kāi)關(guān)就是，當(dāng)MOSFET開(kāi)通時(shí)，電流沒(méi)有反向流過(guò)體二極管，也就是說(shuō)Vds的電壓不為零，那為什么硬開(kāi)關(guān)就會(huì)導(dǎo)致MOSFET失效呢？下面詳細(xì)介紹。首先看一個(gè)普通高壓MOSFETdatasheet里面對(duì)dv/dt的AMR規(guī)格如，所謂AMR就是absolutemaximumrating，就是說(shuō)超過(guò)這個(gè)參數(shù)范圍，MOSFET就有可能損壞。我們發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)限制，其對(duì)應(yīng)不同的條件，就是體二極管是否有反向恢復(fù)，對(duì)于沒(méi)有反向恢復(fù)的這一項(xiàng)50V/ns，只是對(duì)之前的老MOSFET有限制，對(duì)于現(xiàn)代工藝的MOSFET，算是一個(gè)冗余的規(guī)定，由于習(xí)慣問(wèn)題一直保留著，其實(shí)就算100V/ns的dv/dt加在管子上都不一定有問(wèn)題。但是對(duì)于體二極管存在反向恢復(fù)的dv/dt就比較危險(xiǎn)了，這個(gè)管子的規(guī)定是15V/ns，其實(shí)在高溫下，情況會(huì)更糟糕。下面先看一下MOSFET帶寄生參數(shù)的等效模型，由于側(cè)重點(diǎn)的原因，寄生電感和寄生電阻就沒(méi)畫出來(lái)。

從上圖可以看到，MOSFET存在一個(gè)寄生的BJT，也就是說(shuō)當(dāng)Rb上的電壓達(dá)到這個(gè)BJT的門檻電壓時(shí)，這個(gè)BJT就會(huì)導(dǎo)通，關(guān)鍵在于這個(gè)BJT是負(fù)溫度系數(shù)的，它不像MOSFET的Rds_on，溫度越高阻抗越高，而是相反，晶元上溫度越高的地方，阻抗越低，更多的電流會(huì)流過(guò)同一個(gè)點(diǎn)，因此特別容易造成熱點(diǎn)損壞,并且起始結(jié)溫越高時(shí)情況越惡劣。

回過(guò)頭來(lái)，我們?cè)倏碦b上的電壓是從哪里來(lái)的，主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是體二極管的反向恢復(fù)電流，另外一個(gè)是流過(guò)Cdb的容性電流。再回過(guò)頭來(lái)看上面介紹的LLC的兩個(gè)電流相位不對(duì)的情況，上面提到這兩種情況會(huì)存在硬開(kāi)關(guān)模式，其特點(diǎn)是半橋的兩顆MOSFET，當(dāng)其中一個(gè)MOSFET有體二極管反向續(xù)流的時(shí)候另外一個(gè)管子導(dǎo)通了（可以參考下圖實(shí)例，Q1有二極管續(xù)流時(shí)，Q2導(dǎo)通了，這時(shí)Q1的體二極管就會(huì)有反向恢復(fù)），因此就會(huì)出現(xiàn)有續(xù)流的這個(gè)MOSFET的體二極管有很大的反向恢復(fù)，并且伴隨很高的dv/dt。

連貫起來(lái)看，就是LLC的硬開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致有體二極管方向恢復(fù)這顆管子的內(nèi)部BJT導(dǎo)通，從而熱點(diǎn)損壞，進(jìn)而半橋電路出現(xiàn)直通短路。考慮到上面介紹的失效機(jī)制，其實(shí)有很多應(yīng)對(duì)方法