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  6. MOSFET應用,LLC電路中的MOSFET介紹
    • 發布時間:2023-03-17 17:25:40
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    MOSFET應用,LLC電路中的MOSFET介紹
    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對體二極管參數有了很高的要求。
    以下部分對于LLC工作過程中MOSFET的波形進行進一步分析,更對容易失效的問題點進行研究。
    LLC電路 MOSFET
    上面的圖給出了啟動時功率MOSFET前五個開關波形。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Q2的體二極管深度導通。
    因此流經開關Q2體二極管的反向恢復電流非常高,致使當高端開關Q1導通時足夠引起直通問題。啟動狀態下,在體二極管反向恢復時,非常可能發生功率MOSFET的潛在失效。
    下圖給出了可能出現潛在器件失效的工作模式。在t0~t1時段,諧振電感電流Ir變為正。由于MOSFET Q1處于導通狀態,諧振電感電流流過MOSFET Q1 溝道。當Ir開始上升時,次級二極管D1導通。
    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。
    LLC電路 MOSFET
    LLC電路 MOSFET
    在t1~ t2時段,MOSFET Q1門極驅動信號關斷,諧振電感電流開始流經MOSFET Q2的體二極管,為MOSFET Q2產生ZVS條件。這種模式下應該給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。導致了MOSFET Q2的P-N結上存儲更多電荷。
    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MOSFET Q2溝道。由于二極管D1依然導通, 該時段內諧振電感的電壓為:
    LLC電路 MOSFET
    該電壓使得諧振電流ir(t)下降。然而,
    LLC電路 MOSFET
    很小,并不足以在這個時間段內使電流反向。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,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:
    LLC電路 MOSFET
    在t3~t4時段,諧振電感電流經MOSFET Q2體二極管續流。盡管電流不大,但依然給MOSFET Q2的P-N結增加儲存電荷。
    在t4~t5時段,MOSFET Q1通道導通,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,它會影響到該開關電源。
    這會產生很大的反向恢復dv/dt,有時會擊穿MOSFET Q2。這樣就會導致MOSFET失效,并且當采用的MOSFET體二極管的反向恢復特性較差時,這種失效機理將會更加嚴重。
    體二極管反向恢復dv/dt
    LLC電路 MOSFET
    二極管由通態到反向阻斷狀態的開關過程稱為反向恢復。圖片給出了MOSFET體二極管反向恢復的波形。首先體二極管正向導通,持續一段時間。這個時段中,二極管P-N結積累電荷。
    當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。釋放儲存電荷時會出現以下兩種現象:流過一個大的反向電流和重構。在該過程中,大的反向恢復電流流過MOSFET的體二極管,是因為MOSFET的導通溝道已經切斷。
    一些反向恢復電流從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,反復發熱超過結溫,最終造成MOSFET擊穿損壞。
    從中可以看出,LLC電路中MOSFET參數要求主要有以下幾點:
    體二極管的反向恢復時間必須足夠短,足夠快。
    體二極管必須足夠強壯,與MOS的導通電流能力要一致。
    MOSFET的電荷值要控制在合適的范圍內。
    要進一步和MOSFET廠家確認是否可以用在LLC電路中。
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