不同于PFC和Flyback等电路(对MOSFET体二极管没有要求),因为LLC电路工作过程中,MOSFET的体二极管要参与大电流的过程,因此LLC电路中的MOSFET对体二极管参数有了很高的要求。
以下部分对于LLC工作过程中MOSFET的波形进行进一步分析,更对容易失效的问题点进行研究。
上面的图给出了启动时功率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。
下图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~ t2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。
体二极管反向恢复dv/dt
二极管由通态到反向阻断状态的开关过程称为反向恢复。图片给出了MOSFET体二极管反向恢复的波形。首先体二极管正向导通,持续一段时间。这个时段中,二极管P-N结积累电荷。
当反向电压加到二极管两端时,释放储存的电荷,回到阻断状态。释放储存电荷时会出现以下两种现象:流过一个大的反向电流和重构。在该过程中,大的反向恢复电流流过MOSFET的体二极管,是因为MOSFET的导通沟道已经切断。
一些反向恢复电流从N+源下流过。这就造成两个问题,一个是冲击电流过大,超过MOSFET承受能力,一个是形成热点,反复发热超过结温,最终造成MOSFET击穿损坏。
从中可以看出,LLC电路中MOSFET参数要求主要有以下几点:
体二极管的反向恢复时间必须足够短,足够快。
体二极管必须足够强壮,与MOS的导通电流能力要一致。
MOSFET的电荷值要控制在合适的范围内。
要进一步和MOSFET厂家确认是否可以用在LLC电路中。
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