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LLC MOSFET 的失效模式

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楼主
由于LLC有众多优良特性,目前应用越来越广,例如adapter, LED TV, telecom power, Lighting,medical power等等,甚至有些没有PFC的低端充电器都用LLC做,其输入电压,输出电流和输出电压都不是恒定电压,可见工程师对LLC的爱有多深了。

但是在平常的客户拜访中了解到LLC产品在产线或终端客户经常碰到低失效率的问题,所以今天介绍一下LLC的MOSFET在开机以及过载时的一个主要失效模式,这个话题有**有讲过,但是很多工程师并没有刻意去了解过,今天再用中文总结一下。

对于小功率的LLC,多以半桥为主,简单的示意图如下。

两种工况,先看刚开机的情况,刚上电时谐振电容Cr上的电压没有建立起来(稳态工作时,该电容的中点电压应该是1/2的BUS电压),由于普通的LLC controller的占空比都是固定的50%,所以主变压器的原边可能会存在伏秒不平衡的状态,导致LLC的MOSFET硬开关,典型波形如下,可以看到上管(HVG)打第二个PWM时对应的谐振腔的电流相位是不对的。

再来看过载/短路时,LLC工作在容性模式的情况,先看一张DC gain对应的容性和感性区域的图,当开光频率低于第二谐振频率fr2时就是容性区域。

下图是一张工作在容性模式的图,可以看到下管(LVG)的最后一个PWM开通时对应的谐振腔电流相位也是不对的。

分析了上面两种工况,都是电流相位不对,MOSFET都存硬开关,所谓硬开关就是,当MOSFET开通时,电流没有反向流过体二极管,也就是说Vds的电压不为零,那为什么硬开关就会导致MOSFET失效呢?下面详细介绍。

首先看一个普通高压MOSFET datasheet里面对dv/dt的AMR规格如,所谓AMR就是absolute maximum rating,就是说超过这个参数范围,MOSFET就有可能损坏。

我们发现有两个限制,其对应不同的条件,就是体二极管是否有反向恢复,对于没有反向恢复的这一项50V/ns,只是对之前的老MOSFET有限制,对于现代工艺的MOSFET,算是一个冗余的规定,由于习惯问题一直保留着,其实就算100V/ns的dv/dt加在管子上都不一定有问题。但是对于体二极管存在反向恢复的dv/dt就比较危险了,这个管子的规定是15V/ns,其实在高温下,情况会更糟糕。

下面先看一下MOSFET带寄生参数的等效模型,由于侧重点的原因,寄生电感和寄生电阻就没画出来。
从上图可以看到,MOSFET存在一个寄生的BJT,也就是说当Rb上的电压达到这个BJT的门槛电压时,这个BJT就会导通,关键在于这个BJT是负温度系数的,它不像MOSFET的Rds_on,温度越高阻抗越高,而是相反,晶元上温度越高的地方,阻抗越低,更多的电流会流过同一个点,因此特别容易造成热点损坏,并且起始结温越高时情况越恶劣。

回过头来,我们再看Rb上的电压是从哪里来的,主要有两个方面,一个是体二极管的反向恢复电流,另外一个是流过Cdb的容性电流。

再回过头来看上面介绍的LLC的两个电流相位不对的情况,上面提到这两种情况会存在硬开关模式,其特点是半桥的两颗MOSFET,当其中一个MOSFET有体二极管反向续流的时候另外一个管子导通了(可以参考下图实例,Q1有二极管续流时,Q2导通了,这时Q1的体二极管就会有反向恢复),因此就会出现有续流的这个MOSFET的体二极管有很大的反向恢复,并且伴随很高的dv/dt。
连贯起来看,就是LLC的硬开关会导致有体二极管方向恢复这颗管子的内部BJT导通,从而热点损坏,进而半桥电路出现直通短路。

考虑到上面介绍的失效机制,其实有很多应对方法,简单的有选择体二极管反向恢复特性较好的MOSFET,或者在电路上或电路架构上进行优化,甚至有些芯片已经集成了硬开关和容模保护等功能,这些就不详细展开了。


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沙发
戈卫东| | 2016-12-12 23:44 | 只看该作者
好高深的样子。。。。。

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