標題: LLC MOSFET 的失效模式 [打印本頁]
作者: 小融1號 時間: 2017-2-14 13:50
標題: LLC MOSFET 的失效模式
由于LLC有眾多優良特性,目前應用越來越廣,例如adapter,LED TV, telecom power, Lighting,medical power等等,甚至有些沒有PFC的低端充電器都用LLC做,其輸入電壓,輸出電流和輸出電壓都不是恒定電壓,可見工程師對LLC的愛有多深了。
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但是在平常的客戶拜訪中了解到LLC產品在產線或終端客戶經常碰到低失效率的問題,所以今天介紹一下LLC的MOSFET在開機以及過載時的一個主要失效模式,這個話題有文章有講過,但是很多工程師并沒有刻意去了解過,今天再用中文總結一下。
對于小功率的LLC,多以半橋為主,簡單的示意圖如下。
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兩種工況,先看剛開機的情況,剛上電時諧振電容Cr上的電壓沒有建立起來(穩態工作時,該電容的中點電壓應該是1/2的BUS電壓),由于普通的LLC controller的占空比都是固定的50%,所以主變壓器的原邊可能會存在伏秒不平衡的狀態,導致LLC的MOSFET硬開關,典型波形如下,可以看到上管(HVG)打第二個PWM時對應的諧振腔的電流相位是不對的。
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再來看過載/短路時,LLC工作在容性模式的情況,先看一張DC gain對應的容性和感性區域的圖,當開光頻率低于第二諧振頻率fr2時就是容性區域。
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下圖是一張工作在容性模式的圖,可以看到下管(LVG)的最后一個PWM開通時對應的諧振腔電流相位也是不對的。
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分析了上面兩種工況,都是電流相位不對,MOSFET都存硬開關,所謂硬開關就是,當MOSFET開通時,電流沒有反向流過體二極管,也就是說Vds的電壓不為零,那為什么硬開關就會導致MOSFET失效呢?下面詳細介紹。
首先看一個普通高壓MOSFET datasheet里面對dv/dt的AMR規格如,所謂AMR就是absolute maximum rating,就是說超過這個參數范圍,MOSFET就有可能損壞。
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我們發現有兩個限制,其對應不同的條件,就是體二極管是否有反向恢復,對于沒有反向恢復的這一項50V/ns,只是對之前的老MOSFET有限制,對于現代工藝的MOSFET,算是一個冗余的規定,由于習慣問題一直保留著,其實就算100V/ns的dv/dt加在管子上都不一定有問題。但是對于體二極管存在反向恢復的dv/dt就比較危險了,這個管子的規定是15V/ns,其實在高溫下,情況會更糟糕。
下面先看一下MOSFET帶寄生參數的等效模型,由于側重點的原因,寄生電感和寄生電阻就沒畫出來。
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從上圖可以看到,MOSFET存在一個寄生的BJT,也就是說當Rb上的電壓達到這個BJT的門檻電壓時,這個BJT就會導通,關鍵在于這個BJT是負溫度系數的,它不像MOSFET的Rds_on,溫度越高阻抗越高,而是相反,晶元上溫度越高的地方,阻抗越低,更多的電流會流過同一個點,因此特別容易造成熱點損壞,并且起始結溫越高時情況越惡劣。
回過頭來,我們再看Rb上的電壓是從哪里來的,主要有兩個方面,一個是體二極管的反向恢復電流,另外一個是流過Cdb的容性電流。
再回過頭來看上面介紹的LLC的兩個電流相位不對的情況,上面提到這兩種情況會存在硬開關模式,其特點是半橋的兩顆MOSFET,當其中一個MOSFET有體二極管反向續流的時候另外一個管子導通了(可以參考下圖實例,Q1有二極管續流時,Q2導通了,這時Q1的體二極管就會有反向恢復),因此就會出現有續流的這個MOSFET的體二極管有很大的反向恢復,并且伴隨很高的dv/dt。
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連貫起來看,就是LLC的硬開關會導致有體二極管方向恢復這顆管子的內部BJT導通,從而熱點損壞,進而半橋電路出現直通短路。
考慮到上面介紹的失效機制,其實有很多應對方法,簡單的有選擇體二極管反向恢復特性較好的MOSFET,或者在電路上或電路架構上進行優化,甚至有些芯片已經集成了硬開關和容模保護等功能,這些就不詳細展開了。
文章來源:微信公眾號 融創芯城(一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺,項目眾包平臺,方案共享平臺)
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