LLC谐振变换器中MOS失效模式分析.pdf.pdf
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AN-9067
LLC 谐振变换器中 MOSFET 失效模式的分析
摘要
提高功率密度已经成为电源变换器的发展趋势。为达到
这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系
统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(SMPS)而
言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS)
或零电流开关(ZCS) 拓扑允许采用高频开关技术，可以
最大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开
关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降
低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC
谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种
主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务
器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半
桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极
管的MOSFET，才能获得更高的可靠性。本应用笔记讨
论了LLC谐振变换器中潜在失效模式和机理，并为防止
失效，提供一种简单、高性价比的解决方案。
引言
在功率变换市场中，尤其对于通信/服务器电源应用，不
断提高功率密度和追求更高效率已经成为最具挑战性的
议题。对于功率密度的提高，最普遍方法就是提高开关
频率，以便降低无源器件的尺寸。零电压开关(ZVS)拓
扑因具有极低的开关损耗、较低的器件应力而允许采用
高开关频率以及较小的外形，从而越来越受到青睐
[1][2]
。这些谐振变换器以正弦方式对能量进行处理，开
关器件可实现软开闭，因此可以大大地降低开关损耗和
噪声。在这些拓扑中，相移ZVS全桥拓扑在中、高功率
应用中得到了广泛采用，因为借助功率MOSFET的等效
输出电容和变压器的漏感可以使所有的开关工作在ZVS
状态下，无需额外附加辅助开关。然而，ZVS范围非常
窄，续流电流消耗很高的循环能量。近来，出现了关于
相移全桥拓扑中功率MOSFET失效问题的讨论
[3]
。这种
失效的主要原因是：在低反向电压下，MSOFET体二极
管的反向恢复较慢。另一失效原因是：空载或轻载情况
下，出现Cdv/dt直通。在LLC谐振变换器中的一个潜在
失效模式与由于体二极管反向恢复特性较差引起的直通
电流相关
[5][6]
。即使功率MOSFET的电压和电流处于安
全工作区域，反向恢复dv/dt和击穿dv/dt也会在如启动、
过载和输出短路的情况下发生。
LLC谐振半桥变换器
LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有如下优势
[7]
：
宽输出调节范围，窄开关频率范围
即使空载情况下，可以保证ZVS
利用所有的寄生元件，来获得ZVS。
LLC谐振变换器可以突破传统谐振变换器的局限。正是
由于这些原因，LLC谐振变换器被广泛应用在电源供电
市场。LLC谐振半桥变换器拓扑如图1所示，其典型波
形如图2所示。图1中，谐振电路包括电容C
r
和两个与之
串联的电感L
r
和L
m
。作为电感之一，电感L
m
表示变压器
的励磁电感，并且与谐振电感L
r和谐振电容Cr共同形成
一个谐振点。重载情况下，L
m会在反射负载R
LOAD
的作用
下视为完全短路，轻载情况下依然保持与谐振电感L
r串
联。因此，谐振频率由负载情况决定。L
r 和Cr决定谐振
频率f
r1
，Cr和两个电感Lr 、Lm决定第二谐振频率f
r2
，随
着负载的增加，谐振频率随之增加。谐振频率在由变压
器和谐振电容C
r
决定的最大值和最小值之间变动，如公
式1、2所示。
rr
1r
CL2
1
f
•π
=
(1)
()
rmr
2r
CLL2
1
f
•+π
=
(2)
图
1. LLC谐振变换器
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