LLC MOSFET 的失效模式

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由于LLC有众多优良特性，目前应用越来越广，例如adapter,LED TV, telecom power, Lighting，medical power等等，甚至有些没有PFC的低端充电器都用LLC做，其输入电压，输出电流和输出电压都不是恒定电压，可见工程师对LLC的爱有多深了。

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但是在平常的客户拜访中了解到LLC产品在产线或终端客户经常碰到低失效率的问题，所以今天介绍一下LLC的MOSFET在开机以及过载时的一个主要失效模式，这个话题有文章有讲过，但是很多工程师并没有刻意去了解过，今天再用中文总结一下。

对于小功率的LLC，多以半桥为主，简单的示意图如下。


两种工况，先看刚开机的情况，刚上电时谐振电容Cr上的电压没有建立起来（稳态工作时，该电容的中点电压应该是1/2的BUS电压），由于普通的LLC controller的占空比都是固定的50%，所以主变压器的原边可能会存在伏秒不平衡的状态，导致LLC的MOSFET硬开关，典型波形如下，可以看到上管（HVG）打第二个PWM时对应的谐振腔的电流相位是不对的。


再来看过载/短路时，LLC工作在容性模式的情况，先看一张DC gain对应的容性和感性区域的图，当开光频率低于第二谐振频率fr2时就是容性区域。


下图是一张工作在容性模式的图，可以看到下管（LVG）的最后一个PWM开通时对应的谐振腔电流相位也是不对的。


分析了上面两种工况，都是电流相位不对，MOSFET都存硬开关，所谓硬开关就是，当MOSFET开通时，电流没有反向流过体二极管，也就是说Vds的电压不为零，那为什么硬开关就会导致MOSFET失效呢？下面详细介绍。

首先看一个普通高压MOSFET datasheet里面对dv/dt的AMR规格如，所谓AMR就是absolute maximum rating，就是说超过这个参数范围，MOSFET就有可能损坏。


我们发现有两个限制，其对应不同的条件，就是体二极管是否有反向恢复，对于没有反向恢复的这一项50V/ns，只是对之前的老MOSFET有限制，对于现代工艺的MOSFET，算是一个冗余的规定，由于习惯问题一直保留着，其实就算100V/ns的dv/dt加在管子上都不一定有问题。但是对于体二极管存在反向恢复的dv/dt就比较危险了，这个管子的规定是15V/ns，其实在高温下，情况会更糟糕。

下面先看一下MOSFET带寄生参数的等效模型，由于侧重点的原因，寄生电感和寄生电阻就没画出来。



从上图可以看到，MOSFET存在一个寄生的BJT，也就是说当Rb上的电压达到这个BJT的门槛电压时，这个BJT就会导通，关键在于这个BJT是负温度系数的，它不像MOSFET的Rds_on，温度越高阻抗越高，而是相反，晶元上温度越高的地方，阻抗越低，更多的电流会流过同一个点，因此特别容易造成热点损坏,并且起始结温越高时情况越恶劣。

回过头来，我们再看Rb上的电压是从哪里来的，主要有两个方面，一个是体二极管的反向恢复电流，另外一个是流过Cdb的容性电流。

再回过头来看上面介绍的LLC的两个电流相位不对的情况，上面提到这两种情况会存在硬开关模式，其特点是半桥的两颗MOSFET，当其中一个MOSFET有体二极管反向续流的时候另外一个管子导通了（可以参考下图实例，Q1有二极管续流时，Q2导通了，这时Q1的体二极管就会有反向恢复），因此就会出现有续流的这个MOSFET的体二极管有很大的反向恢复，并且伴随很高的dv/dt。

连贯起来看，就是LLC的硬开关会导致有体二极管方向恢复这颗管子的内部BJT导通，从而热点损坏，进而半桥电路出现直通短路。

考虑到上面介绍的失效机制，其实有很多应对方法，简单的有选择体二极管反向恢复特性较好的MOSFET，或者在电路上或电路架构上进行优化，甚至有些芯片已经集成了硬开关和容模保护等功能，这些就不详细展开了。

文章来源：微信公众号   融创芯城（一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台，项目众包平台，方案共享平台）