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1、www.fairchildsemi.comAN-9067LLC諧振變換器中MOSFET失效模式的分析摘要LLC諧振半橋變換器提高功率密度已經(jīng)成為電源變換器的發(fā)展趨勢。為達到[7]LLC諧振變換器與傳統(tǒng)諧振變換器相比有如下優(yōu)勢：這個目標(biāo)，需要提高開關(guān)頻率，從而降低功率損耗、系統(tǒng)整體尺寸以及重量。對于當(dāng)今的開關(guān)電源(SMPS)而°寬輸出調(diào)節(jié)范圍，窄開關(guān)頻率范圍言，具有高可靠性也是非常重要的。零電壓開關(guān)(ZVS)°即使空載情況下，可以保證ZVS或零電流開關(guān)(ZCS)拓?fù)湓试S采用高頻開關(guān)技術(shù)，可以最大限度地降低開關(guān)損耗。ZVS拓?fù)湓试S工作在高頻開°利用所有的寄
2、生元件，來獲得ZVS。關(guān)下，能夠改善效率，能夠降低應(yīng)用的尺寸，還能夠降LLC諧振變換器可以突破傳統(tǒng)諧振變換器的局限。正是低功率開關(guān)的應(yīng)力，因此可以改善系統(tǒng)的可靠性。LLC由于這些原因，LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用在電源供電諧振半橋變換器因其自身具有的多種優(yōu)勢逐漸成為一種市場。LLC諧振半橋變換器拓?fù)淙鐖D1所示，其典型波主流拓?fù)?。這種拓?fù)涞玫搅藦V泛的應(yīng)用，包括高端服務(wù)形如圖2所示。圖1中，諧振電路包括電容Cr和兩個與之器、平板顯示器電源的應(yīng)用。但是，包含有LLC諧振半串聯(lián)的電感Lr和Lm。作為電感之一，電感Lm表示變壓器橋的ZVS橋式拓?fù)?，需要一個帶有反向
3、快速恢復(fù)體二極的勵磁電感，并且與諧振電感Lr和諧振電容Cr共同形成管的MOSFET，才能獲得更高的可靠性。本應(yīng)用筆記討一個諧振點。重載情況下，Lm會在反射負(fù)載RLOAD的作用論了LLC諧振變換器中潛在失效模式和機理，并為防止下視為完全短路，輕載情況下依然保持與諧振電感Lr串失效，提供一種簡單、高性價比的解決方案。聯(lián)。因此，諧振頻率由負(fù)載情況決定。Lr和Cr決定諧振頻率fr1，Cr和兩個電感Lr、Lm決定第二諧振頻率fr2，隨著負(fù)載的增加，諧振頻率隨之增加。諧振頻率在由變壓引言器和諧振電容Cr決定的最大值和最小值之間變動，如公式1、2所示。在功率變換市場
4、中，尤其對于通信/服務(wù)器電源應(yīng)用，不1斷提高功率密度和追求更高效率已經(jīng)成為最具挑戰(zhàn)性的fr1=(1)2πLr?Cr議題。對于功率密度的提高，最普遍方法就是提高開關(guān)頻率，以便降低無源器件的尺寸。零電壓開關(guān)(ZVS)拓1fr2=(2)撲因具有極低的開關(guān)損耗、較低的器件應(yīng)力而允許采用2π()Lr+Lm?Cr高開關(guān)頻率以及較小的外形，從而越來越受到青睞[1][2]。這些諧振變換器以正弦方式對能量進行處理，開關(guān)器件可實現(xiàn)軟開閉，因此可以大大地降低開關(guān)損耗和噪聲。在這些拓?fù)渲?，相移ZVS全橋拓?fù)湓谥小⒏吖β蕬?yīng)用中得到了廣泛采用，因為借助功率MOSFET的等效輸出電
5、容和變壓器的漏感可以使所有的開關(guān)工作在ZVS狀態(tài)下，無需額外附加輔助開關(guān)。然而，ZVS范圍非常窄，續(xù)流電流消耗很高的循環(huán)能量。近來，出現(xiàn)了關(guān)于[3]相移全橋拓?fù)渲泄β蔒OSFET失效問題的討論。這種圖1.LLC諧振變換器失效的主要原因是：在低反向電壓下，MSOFET體二極管的反向恢復(fù)較慢。另一失效原因是：空載或輕載情況下，出現(xiàn)Cdv/dt直通。在LLC諧振變換器中的一個潛在失效模式與由于體二極管反向恢復(fù)特性較差引起的直通[5][6]電流相關(guān)。即使功率MOSFET的電壓和電流處于安全工作區(qū)域，反向恢復(fù)dv/dt和擊穿dv/dt也會在如啟動、過載和輸出短路
6、的情況下發(fā)生。?2009FairchildSemiconductorCorporationwww.fairchildsemi.comRev.1.0.0?2/16/11AN-9067APPLICATIONNOTE圖3和圖4給出了啟動時功率MOSFET前五個開關(guān)波形。在變換器啟動開始前，諧振電容和輸出電容剛好完全放電。與正常工作狀況相比，在啟動過程中，這些空電容會使低端開關(guān)Q2的體二極管深度導(dǎo)通。因此流經(jīng)開關(guān)Q2體二極管的反向恢復(fù)電流非常高，致使當(dāng)高端開關(guān)Q1導(dǎo)通時足夠引起直通問題。啟動狀態(tài)下，在體二極管反向恢復(fù)時，非?？赡馨l(fā)生功率MOSFET的潛在失效。
7、圖5給出了LLC諧振半橋變換器啟動時的簡化波形。圖6給出了可能出現(xiàn)潛在器件失效的工作模式。在t0~t1時段，諧振電感電流Ir變?yōu)檎?。由于MOSFETQ1處于導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電感電流流過MOSFETQ1溝道。當(dāng)Ir開始上升時，次級二極管D1導(dǎo)通。因此，式3給出了諧振電感電流Ir的上升斜率。因為啟動時vc(t)和vo(t)為零，所有的輸入電壓都施加到諧振電感Lr的兩端。這使得諧振電流劇增。NpVin?vL(t)?vo(t)?Ns(3)dir=dtLr圖2.LLC諧振變換器的典型波形LLC諧振變換器的失效模式啟動失效模式圖5.啟動狀態(tài)下潛在失效模式的簡化波形I
8、d_Q1:2A/div在t1~t2時段，MOSFETQ1門極驅(qū)動信號關(guān)斷，諧振電感Vds_Q1
