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LLC 拓扑提升电源系统可靠性 第2页

    对MOSFET结构有一定了解的工程师都知道,MOSFET不同于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一个体二极管,跟普通二极管一样在截止过程中都需要中和载流子才能反向恢复, 而只有二极管两端加上反向电压才能够使这个反向恢复快速完成, 而反向恢复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相关, 而体二极管的反向恢复同样需要在体二极管两端加上一个反向电压。在启机时加在二极管两端的电压Vd=Id2 x RON. 而Id2在启机时几乎为零,而二极管在Vd较低时需要很长的时间来进行反向恢复。如果死区时间设置不够,如图5所示高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT从而击穿MOSFET.

     图5

    通过实际的测试,我们可以重复到类似的波形,第二个开关周期产生远比第一个开关周期高的峰值电流,同时当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns. 而Vds电压更是超出了600V的最大值。MOSFET在启机时存在风险。

     

        图6

    3.22 异常状态分析

    下面我们继续分析在负载剧烈变化时,对LLC拓扑来说存在那些潜在的风险。

    在负载剧烈变化时,如短路,动态负载等状态时,LLC电路的关键器件MOSFET同样也面临着挑战。

    通常负载变化时LLC 都会经历以下3个状态。我们称之为硬关断, 而右图中我们可以比较在这3个时序当中,传统MOSFET和CoolMOS内部载流子变化的不同, 以及对MOSFET带来的风险。

     

时序1, Q2零电压开通,反向电流经过MOSFET和体二极管, 此时次级二极管D2开通,D1关段。

    -传统MOSFET此时电子电流经沟道区,从而减少空穴数量

    -CoolMOS此时同传统MOSFET一样电子电流经沟道,穴减少,不同的是此时CoolMOS 的P井结构开始建立。

     

        时序2, Q1和Q2同时关断,反向电流经过MOSFETQ2体二极管。

    Q1和Q2关断时对于传统MOSFET和CoolMOS来说内部电子和空穴路径和流向并没有太大的区别。

      时序3, Q1此时开始导通,由于负载的变化, 此时MOSFET Q2的体二极管需要很长的时间来反向恢复。当二极管反向恢复没有完成时MOSFET Q2出现硬关断, 此时Q1开通,加在Q2体二极管上的电压会在二极管形成一个大电流从而触发MOSFET内部的BJT造成雪崩。

    -传统MOSFET此时载流子抽出,此时电子聚集在PN节周围, 空穴电流拥堵在PN节边缘。

    -CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道, 此时空穴电流在已建立好的P井结构中流动,并无电子拥堵现象。

    综上, 当LLC电路出现过载,短路,动态负载等条件下, 一旦二极管在死区时间不能及时反向恢复, 产生的巨大的复合电流会触发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。

    InfinEON CoolMOS采用Super Juction结构, 这种结构在MOSFET硬关断的状态下, 载流子会沿垂直构建的P井中复合, 基本上没有侧向电流, 大大减少触发BJT的机会。

    4. 如何更容易实现ZVS

    通过以上的分析,可以看到增加MOSFET的死区时间,可以提供足够的二极管反向恢复时间同时降低高dv/dt, di/dt 对LLC电路造成的风险。但是增加死区时间是唯一的选择么?下面我们进一步分析如何够降低风险提升系统效率。

     

图7

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