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如何避免LLC谐振转换器中的MOSFET出现故障

归档日期:05-05       文本归类:反向恢复      文章编辑:爱尚语录

  为了降低能源成本,设备设计人员正在不断寻找优化功率密度的新方法。通常情况下,电源设计人员通过增大开关频率来降低功耗和缩小系统尺寸。由于具有诸多优势如宽输出调节范围、窄开关频率范围以及甚至在空载情况下都能保证零电压开关,LLC

  初级MOSFET的不良体二极管性能可能导致一些意想不到的系统或器件故障,如在各种异常条件下发生严重的直通电流、体二极管 dv/dt、击穿 dv/dt,以及栅极氧化层击穿,异常条件诸如启动、负载瞬变,和输出短路。

  不同负载条件下LLC谐振转换器的直流增益特性如图2所示。根据不同的运行频率和负载条件可以分为三个区域。谐振频率fr1右侧(蓝色部分)为零电压开关区域, 空载情况下最小次级谐振频率 fr2的左侧(红色部分)是零电流开关区域。fr1与fr2之间的区域既可以是零电压开关区域,也可以是零电流开关区域,视负载条件而定。紫色区域标识感性负载区域, 粉色区域标识容性负载区域。对于开关频率 fs

  在导通MOSFET之前,电流流过其他MOSFET的体 二极管。当MOSFET开关导通时,其他MOSFET体二极管的反向恢复应力非常严重。高反向恢复电流尖峰流过其他MOSFET开关,原因是它无法流过谐振电路。它形成高体二极管dv/dt并且其电流和电压尖峰可能在体二极管反向恢复期间造成器件故障。因此,转换器应该避免在容性区域运行。对于 fsfr1,谐振回路的输入阻抗是感性负载。如图 3 (b) 所示,MOSFET在零电压开关 (ZVS) 处导通。导通开关损耗被最小化,原因是存在米勒效应并且 MOSFET 输入电容不会因为米勒效应而增大。此外,体二极管反向恢复电流是一小部分正弦波,并在开关电流为正时变为开关电流的一部分。因此, 零电压开关通常优先于零电流开关,原因是因反向恢复电流及其结电容的放电,零电压开关能够避免较大的开关损耗和应力 。

  在启动期间,由于反向恢复dv/dt,零电压开关运行可能会丢失并且MOSFET可能发生故障。

  在启动之前谐振电容和输出电容完全放电。这些空电容导致Q2体二极管进一步导通并且在Q1导通前不会完全恢复。反向恢复电流非常高并且在启动期间足以造成直通问题,如图4所示。

  在输出短路期间MOSFET通过极高的电流。当发生输出短路时,Lm在谐振中被分流。LLC 谐振转换器可由 Cr 和 Lr简化为串联谐振回路,因为Cr仅与Lr共振。这种状况通常会导致零电流开关运行(电容模式)。零电流开关运行最严重的缺陷是导通时的硬式整流,可能导致二极管反向恢复应力(dv/dt) 和巨大的电流和电压应力,如图5所示。另外,由于体二极管反向恢复期间的高 di/dt 和 dv/dt,该器件还可能被栅极过压应力破坏。

  增大导通电阻以减小反向恢复di/dt和dv/dt、体二极管反向电流(Irm) 和峰值电压Vgs,如图6所示

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