LLC諧振轉(zhuǎn)換器中如何避免出現(xiàn)MOSFET故障?-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2022-05-07
為了降低能源成本,設(shè)備設(shè)計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)計人員通過增大開關(guān)頻率來降低功耗和縮小系統(tǒng)尺寸。
由于具有諸多優(yōu)勢如寬輸出調(diào)節(jié)范圍、窄開關(guān)頻率范圍以及甚至在空載情況下都能保證零電壓開關(guān),LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用越來越普遍。但是,功率MOSFET出現(xiàn)故障一直是LLC諧振轉(zhuǎn)換器中存在的一個問題。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、負(fù)載瞬變,和輸出短路。
圖1:LLC諧振轉(zhuǎn)換器
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)不同的運行頻率和負(fù)載條件可以分為三個區(qū)域。
諧振頻率fr1右側(cè)(藍(lán)色部分)為零電壓開關(guān)區(qū)域,空載情況下最小次級諧振頻率fr2的左側(cè)(紅色部分)是零電流開關(guān)區(qū)域。fr1與fr2之間的區(qū)域既可以是零電壓開關(guān)區(qū)域,也可以是零電流開關(guān)區(qū)域,視負(fù)載條件而定。
紫色區(qū)域標(biāo)識感性負(fù)載區(qū)域,粉色區(qū)域標(biāo)識容性負(fù)載區(qū)域。對于開關(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,電流流過其他MOSFET的體二極管。當(dāng)MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時,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)電流尖峰流過其他MOSFET開關(guān),原因是它無法流過諧振電路。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)域運行。對于fs》fr1,諧振回路的輸入阻抗是感性負(fù)載。如圖3(b)所示,MOSFET在零電壓開關(guān)(ZVS)處導(dǎo)通。
導(dǎo)通開關(guān)損耗被最小化,原因是存在米勒效應(yīng)并且MOSFET輸入電容不會因為米勒效應(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,并在開關(guān)電流為正時變?yōu)殚_關(guān)電流的一部分。
因此,零電壓開關(guān)通常優(yōu)先于零電流開關(guān),原因是因反向恢復(fù)電流及其結(jié)電容的放電,零電壓開關(guān)能夠避免較大的開關(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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