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標題: LLC MOSFET 的失效模式 [打印本頁]

作者: 小融一號 時間: 2017-2-14 12:05
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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作者: vhyu 時間: 2017-2-21 01:53
這個問題比較復雜，現實中更不好處理

作者: vhyu 時間: 2017-2-21 01:54
分析正確，我也常常思考這個問題

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