1 摘要

提高功率密度已經(jīng)成為電源變換器的發(fā)展趨勢。為達(dá)到 這個目標(biāo)，需要提高開關(guān)頻率，從而降低功率損耗、系 統(tǒng)整體尺寸以及重量。對于當(dāng)今的開關(guān)電源(SMPS)而 言，具有高可靠性也是非常重要的。零電壓開關(guān)(ZVS) 或零電流開關(guān)(ZCS) 拓?fù)湓试S采用高頻開關(guān)技術(shù)，可以 大限度地降低開關(guān)損耗。ZVS拓?fù)湓试S工作在高頻開 關(guān)下，能夠改善效率，能夠降低應(yīng)用的尺寸，還能夠降 低功率開關(guān)的應(yīng)力，因此可以改善系統(tǒng)的可靠性。LLC 諧振半橋變換器因其自身具有的多種優(yōu)勢逐漸成為一種 主流拓?fù)?。這種拓?fù)涞玫搅藦V泛的應(yīng)用，包括高端服務(wù) 器、平板顯示器電源的應(yīng)用。但是，包含有LLC諧振半 橋的ZVS橋式拓?fù)?，需要一個帶有反向快速恢復(fù)體二極 管的MOSFET，才能獲得更高的可靠性。

在功率變換市場中，尤其對于通信/服務(wù)器電源應(yīng)用，不 斷提高功率密度和追求更高效率已經(jīng)成為具挑戰(zhàn)性的 議題。對于功率密度的提高，普遍方法就是提高開關(guān) 頻率，以便降低無源器件的尺寸。零電壓開關(guān)(ZVS)拓 撲因具有極低的開關(guān)損耗、較低的器件應(yīng)力而允許采用 高開關(guān)頻率以及較小的外形，從而越來越受到青睞 。這些諧振變換器以正弦方式對能量進(jìn)行處理，開 關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)軟開閉，因此可以大大地降低開關(guān)損耗和 噪聲。在這些拓?fù)渲?，相移ZVS全橋拓?fù)湓谥?、高功?應(yīng)用中得到了廣泛采用，因?yàn)榻柚β蔒OSFET的等效 輸出電容和變壓器的漏感可以使所有的開關(guān)工作在ZVS 狀態(tài)下，無需額外附加輔助開關(guān)。然而，ZVS范圍非常 窄，續(xù)流電流消耗很高的循環(huán)能量。近來，出現(xiàn)了關(guān)于 相移全橋拓?fù)渲泄β蔒OSFET失效問題的討論。這種 失效的主要原因是：在低反向電壓下，MSOFET體二極 管的反向恢復(fù)較慢。另一失效原因是：空載或輕載情況 下，出現(xiàn)Cdv/dt直通。在LLC諧振變換器中的一個潛在 失效模式與由于體二極管反向恢復(fù)特性較差引起的直通 電流相關(guān)。即使功率MOSFET的電壓和電流處于安全工作區(qū)域，反向恢復(fù)dv/dt和擊穿dv/dt也會在如啟動、 過載和輸出短路的情況下發(fā)生。

2 LLC諧振半橋變換器

LLC諧振變換器與傳統(tǒng)諧振變換器相比有如下優(yōu)勢：

■寬輸出調(diào)節(jié)范圍，窄開關(guān)頻率范圍

■?即使空載情況下，可以保證ZVS

■?利用所有的寄生元件，來獲得ZVS

LLC諧振變換器可以突破傳統(tǒng)諧振變換器的局限。正是 由于這些原因，LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用在電源供電 市場。LLC諧振半橋變換器拓?fù)淙鐖D1所示，其典型波 形如圖2所示。圖1中，諧振電路包括電容Cr和兩個與之 串聯(lián)的電感Lr和Lm。作為電感之一，電感Lm表示變壓器 的勵磁電感，并且與諧振電感Lr和諧振電容Cr共同形成 一個諧振點(diǎn)。重載情況下，Lm會在反射負(fù)載RLOAD的作用 下視為完全短路，輕載情況下依然保持與諧振電感Lr串 聯(lián)。因此，諧振頻率由負(fù)載情況決定。Lr 和Cr決定諧振 頻率fr1，Cr和兩個電感Lr 、Lm決定第二諧振頻率fr2，隨 著負(fù)載的增加，諧振頻率隨之增加。諧振頻率在由變壓 器和諧振電容Cr決定的大值和小值之間變動，如公 式1、2所示。

3 LLC諧振變換器的失效模式

啟動失效模式

圖3和圖4給出了啟動時(shí)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(shí)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(shí)，非?？赡馨l(fā)生功率MOSFET的潛在失效。 圖5給出了LLC諧振半橋變換器啟動時(shí)的簡化波形。

圖5給出了可能出現(xiàn)潛在器件失效的工作模式。在t0~t1時(shí) 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(shí)，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?yàn)閱訒r(shí)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~ t 2時(shí)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(shí)段，MOSFET Q2施加門極信號，在t0~t1時(shí)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(shí)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(shí)間段 內(nèi)使電流反向。在t3時(shí)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?yàn)槁┰礃O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(shí)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(shí)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?yàn)楦摺⒌投薓OSFET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(shí)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(shí)，這種失 效機(jī)理將會更加嚴(yán)重。

過載失效模式

圖7給出了不同負(fù)載下LLC諧振變換器的直流增益特性 曲線。根據(jù)不同的工作頻率和負(fù)載可以分為三個區(qū)域。 諧振頻率fr1的右側(cè)（藍(lán)框）表示ZVS區(qū)域，空載時(shí)小 第二諧振頻率fr2的左側(cè)（紅框）表示ZCS區(qū)域，fr1和fr2 之間的可能是ZVS或者ZCS，由負(fù)載狀況決定。所以紫 色的區(qū)域表示感性負(fù)載，粉色的區(qū)域表示容性負(fù)載。圖 8給出了感性和容性負(fù)載下簡化波形。當(dāng)開關(guān)頻率 fs

MOSFET在零電流處關(guān)斷。在MOSFET開通前，電流流 過另一個MOSFET的體二極管。當(dāng)MOSFET開關(guān)開通， 另一個MOSFET體二極管的反向恢復(fù)應(yīng)力很大。由于大 反向恢復(fù)電流尖峰不能夠流過諧振電路，它將流過另一個MOSFET。這就會產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，并且電流和 電壓尖峰能夠造成器件失效。因此，變換器需要避免工 作在這個區(qū)域。

對于開關(guān)頻率fs>fr1，諧振電路的輸入阻抗為感性。 MOSFET電流在開通后為負(fù)，關(guān)斷前為正。MOSFET開 關(guān)在零電壓處開通。因此，不會出現(xiàn)米勒效應(yīng)從而使開 通損耗小化。MOSFET的輸入電容不會因米勒效應(yīng)而 增加。而且體二極管的反向恢復(fù)電流是正弦波形的一部 分，并且當(dāng)開關(guān)電流為正時(shí)，會成為開關(guān)電流的一部 分。因此，通常ZVS優(yōu)于ZCS，因?yàn)樗梢韵煞聪?恢復(fù)電流、結(jié)電容放電引起的主要的開關(guān)損耗和應(yīng)力。

圖9給出了過載情況下工作點(diǎn)移動軌跡。變換器正常工 作在ZVS區(qū)域，但過載時(shí)，工作點(diǎn)移動到ZCS區(qū)域，并 且串聯(lián)諧振變換器特性成為主導(dǎo)。過載情況下，開關(guān)電 流增加，ZVS消失，Lm被反射負(fù)載RLOAD完全短路。這 種情況通常會導(dǎo)致變換器工作在ZCS區(qū)域。ZCS（諧振 點(diǎn)以下）嚴(yán)重的缺點(diǎn)是：開通時(shí)為硬開關(guān)，從而導(dǎo)致 二極管反向恢復(fù)應(yīng)力。此外，還會增加開通損耗，產(chǎn)生 噪聲或EMI。

詳解LLC諧振變換器中MOSFET失效模式（二）