不同于PFC和Flyback等電路(對MOSFET體二極管沒有要求),因為LLC電路工作過程中,MOSFET的體二極管要參與大電流的過程,因此LLC電路中的MOSFET對體二極管參數(shù)有了很高的要求。
以下部分對于LLC工作過程中MOSFET的波形進(jìn)行進(jìn)一步分析,更對容易失效的問題點進(jìn)行研究。
上面的圖給出了啟動時功率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。
下圖給出了可能出現(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MOSFET Q1處于導(dǎo)通狀態(tài),諧振電感電流流過MOSFET Q1 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。
在t1~ t2時段,MOSFET Q1門極驅(qū)動信號關(guān)斷,諧振電感電流開始流經(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施門極信號。
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)上存儲更多電荷。
在t2~t3時段,MOSFET Q2施加門極信號,在t0~t1時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, 該時段內(nèi)諧振電感的電壓為:
該電壓使得諧振電流ir(t)下降。然而,
很小,并不足以在這個時間段內(nèi)使電流反向。在t3時刻,MOSFET Q2電流依然從源極流向漏極。另外,MOSFET Q2的體二極管不會恢復(fù),因為漏源極之間沒有反向電壓。
下式給出了諧振電感電流Ir的上升斜率:
在t3~t4時段,諧振電感電流經(jīng)MOSFET Q2體二極管續(xù)流。盡管電流不大,但依然給MOSFET Q2的P-N結(jié)增加儲存電荷。
在t4~t5時段,MOSFET Q1通道導(dǎo)通,流過非常大的直通電流,該電流由MOSFET Q2體二極管的反向恢復(fù)電流引起。這不是偶然的直通,因為高、低端MOSFET正常施加了門極信號;如同直通電流一樣,它會影響到該開關(guān)電源。
這會產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)dv/dt,有時會擊穿MOSFET Q2。這樣就會導(dǎo)致MOSFET失效,并且當(dāng)采用的MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性較差時,這種失效機理將會更加嚴(yán)重。
體二極管反向恢復(fù)dv/dt
二極管由通態(tài)到反向阻斷狀態(tài)的開關(guān)過程稱為反向恢復(fù)。圖片給出了MOSFET體二極管反向恢復(fù)的波形。首先體二極管正向?qū)?,持續(xù)一段時間。這個時段中,二極管P-N結(jié)積累電荷。
當(dāng)反向電壓加到二極管兩端時,釋放儲存的電荷,回到阻斷狀態(tài)。釋放儲存電荷時會出現(xiàn)以下兩種現(xiàn)象:流過一個大的反向電流和重構(gòu)。在該過程中,大的反向恢復(fù)電流流過MOSFET的體二極管,是因為MOSFET的導(dǎo)通溝道已經(jīng)切斷。
一些反向恢復(fù)電流從N+源下流過。這就造成兩個問題,一個是沖擊電流過大,超過MOSFET承受能力,一個是形成熱點,反復(fù)發(fā)熱超過結(jié)溫,最終造成MOSFET擊穿損壞。
從中可以看出,LLC電路中MOSFET參數(shù)要求主要有以下幾點:
體二極管的反向恢復(fù)時間必須足夠短,足夠快。
體二極管必須足夠強壯,與MOS的導(dǎo)通電流能力要一致。
MOSFET的電荷值要控制在合適的范圍內(nèi)。
要進(jìn)一步和MOSFET廠家確認(rèn)是否可以用在LLC電路中。
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