分析LLC諧振半橋變換器及失效模式-KIA MOS管

在功率變換市場(chǎng)中，尤其對(duì)于通信/服務(wù)器電源應(yīng)用，不斷提高功率密度和追求更高效率已經(jīng)成為具挑戰(zhàn)性的議題。對(duì)于功率密度的提高，普遍方法就是提高開(kāi)關(guān)頻率，以便降低無(wú)源器件的尺寸。

零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)拓?fù)湟蚓哂袠O低的開(kāi)關(guān)損耗、較低的器件應(yīng)力而允許采用高開(kāi)關(guān)頻率以及較小的外形，從而越來(lái)越受到青睞。這些諧振變換器以正弦方式對(duì)能量進(jìn)行處理，開(kāi)關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)閉，因此可以大大地降低開(kāi)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?yàn)榻柚β蔒OSFET的等效輸出電容和變壓器的漏感可以使所有的開(kāi)關(guān)工作在ZVS狀態(tài)下，無(wú)需額外附加輔助開(kāi)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(lái)，出現(xiàn)了關(guān)于相移全橋拓?fù)渲泄β蔒OSFET失效問(wèn)題的討論。這種失效的主要原因是：在低反向電壓下，MOSFET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(gè)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(huì)在如啟動(dòng)、過(guò)載和輸出短路的情況下發(fā)生。

LLC諧振半橋變換器

LLC諧振變換器與傳統(tǒng)諧振變換器相比有如下優(yōu)勢(shì)：

寬輸出調(diào)節(jié)范圍，窄開(kāi)關(guān)頻率范圍

即使空載情況下，可以保證ZVS

利用所有的寄生元件，來(lái)獲得ZVS

LLC諧振變換器可以突破傳統(tǒng)諧振變換器的局限。正是由于這些原因，LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用在電源供電市場(chǎng)。LLC諧振半橋變換器拓?fù)淙鐖D1所示，其典型波形如圖2所示。

圖1中，諧振電路包括電容Cr和兩個(gè)與之串聯(lián)的電感Lr和Lm。作為電感之一，電感Lm表示變壓器的勵(lì)磁電感，并且與諧振電感Lr和諧振電容Cr共同形成一個(gè)諧振點(diǎn)。重載情況下，Lm會(huì)在反射負(fù)載RLOAD的作用下視為完全短路，輕載情況下依然保持與諧振電感Lr串聯(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(gè)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。諧振頻率在由變壓器和諧振電容Cr決定的大值和小值之間變動(dòng)，如公式1、2所示。

LLC諧振半橋變換器 MOSFET

LLC諧振變換器的失效模式

LLC諧振半橋變換器 MOSFET

啟動(dòng)失效模式

LLC諧振半橋變換器 MOSFET

圖3和圖4給出了啟動(dòng)時(shí)功率MOSFET前五個(gè)開(kāi)關(guān)波形。在變換器啟動(dòng)開(kāi)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(dòng)過(guò)程中，這些空電容會(huì)使低端開(kāi)關(guān)Q2的體二極管深度導(dǎo)通。

因此流經(jīng)開(kāi)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(kāi)關(guān) Q1導(dǎo)通時(shí)足夠引起直通問(wèn)題。啟動(dòng)狀態(tài)下，在體二極管反向恢復(fù)時(shí)，非?？赡馨l(fā)生功率MOSFET的潛在失效。圖5給出了LLC諧振半橋變換器啟動(dòng)時(shí)的簡(jiǎn)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(shí) 段，諧振電感電流Ir變?yōu)檎?。由于MOSFET Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電感電流流過(guò)MOSFET Q1 溝道。當(dāng)Ir開(kāi)始上升時(shí)，次級(jí)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?yàn)閱?dòng)時(shí)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。

LLC諧振半橋變換器 MOSFET

在t1~ t 2時(shí)段，MOSFET Q1門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，諧振電感電流開(kāi)始流經(jīng)MOSFET Q2的體二極管，為MOSFET Q2產(chǎn)生 ZVS條件。這種模式下應(yīng)該給MOSFET Q2施門(mén)極信號(hào)。

由于諧振電流的劇增，MOSFET Q2體二極管中的電流比正常工作狀況下大很多。導(dǎo)致了MOSFET Q2的P-N結(jié)上存儲(chǔ) 更多電荷。

在t2~t3時(shí)段，MOSFET Q2施加門(mén)極信號(hào)，在t0~t1時(shí)段劇增的諧振電流流經(jīng)MOSFET Q2溝道。由于二極管D1 依然導(dǎo)通，該時(shí)段內(nèi)諧振電感的電壓為：

LLC諧振半橋變換器 MOSFET