LLC諧振轉(zhuǎn)換器中如何避免出現(xiàn)MOSFET故障？-KIA MOS管

為了降低能源成本，設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在不斷尋找優(yōu)化功率密度的新方法。通常情況下，電源設(shè)計(jì)人員通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低功耗和縮小系統(tǒng)尺寸。

由于具有諸多優(yōu)勢(shì)如寬輸出調(diào)節(jié)范圍、窄開(kāi)關(guān)頻率范圍以及甚至在空載情況下都能保證零電壓開(kāi)關(guān)，LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用越來(lái)越普遍。但是，功率MOSFET出現(xiàn)故障一直是LLC諧振轉(zhuǎn)換器中存在的一個(gè)問(wèn)題。在本文中，我們將闡述如何避免這些情況下出現(xiàn)MOSFET故障。

初級(jí)MOSFET的不良體二極管性能可能導(dǎo)致一些意想不到的系統(tǒng)或器件故障，如在各種異常條件下發(fā)生嚴(yán)重的直通電流、體二極管dv/dt、擊穿dv/dt，以及柵極氧化層擊穿，異常條件諸如啟動(dòng)、負(fù)載瞬變，和輸出短路。

圖1：LLC諧振轉(zhuǎn)換器

LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的運(yùn)行區(qū)域和模式

不同負(fù)載條件下LLC諧振轉(zhuǎn)換器的直流增益特性如圖2所示。根據(jù)不同的運(yùn)行頻率和負(fù)載條件可以分為三個(gè)區(qū)域。

諧振頻率fr1右側(cè)（藍(lán)色部分）為零電壓開(kāi)關(guān)區(qū)域，空載情況下最小次級(jí)諧振頻率fr2的左側(cè)（紅色部分）是零電流開(kāi)關(guān)區(qū)域。fr1與fr2之間的區(qū)域既可以是零電壓開(kāi)關(guān)區(qū)域，也可以是零電流開(kāi)關(guān)區(qū)域，視負(fù)載條件而定。

紫色區(qū)域標(biāo)識(shí)感性負(fù)載區(qū)域，粉色區(qū)域標(biāo)識(shí)容性負(fù)載區(qū)域。對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率fs

圖2:LLC諧振轉(zhuǎn)換器的直流增益特性

在導(dǎo)通MOSFET之前，電流流過(guò)其他MOSFET的體二極管。當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其他MOSFET體二極管的反向恢復(fù)應(yīng)力非常嚴(yán)重。

高反向恢復(fù)電流尖峰流過(guò)其他MOSFET開(kāi)關(guān)，原因是它無(wú)法流過(guò)諧振電路。它形成高體二極管dv/dt并且其電流和電壓尖峰可能在體二極管反向恢復(fù)期間造成器件故障。

因此，轉(zhuǎn)換器應(yīng)該避免在容性區(qū)域運(yùn)行。對(duì)于fs》fr1，諧振回路的輸入阻抗是感性負(fù)載。如圖3（b）所示，MOSFET在零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）處導(dǎo)通。

導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗被最小化，原因是存在米勒效應(yīng)并且MOSFET輸入電容不會(huì)因?yàn)槊桌招?yīng)而增大。此外，體二極管反向恢復(fù)電流是一小部分正弦波，并在開(kāi)關(guān)電流為正時(shí)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)電流的一部分。

因此，零電壓開(kāi)關(guān)通常優(yōu)先于零電流開(kāi)關(guān)，原因是因反向恢復(fù)電流及其結(jié)電容的放電，零電壓開(kāi)關(guān)能夠避免較大的開(kāi)關(guān)損耗和應(yīng)力。

圖3:LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的工作模式

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