电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol. 41 No. 3
June 2018
A Common MOSFET Failure Analysis and Solution about
LLC Resonant Converter in PWM State*
BAO Erheng1* ,DENG Guifang1 ,HE Ling1 ,ZHOU Xiaoyi2
('.Automation Engineering Department’Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering’Guangzhou 510925’China'
2.Zhuhai Empower Electric Co. ,Ltd. ,Zhuhai Guangdong 519085 , China)
Abstract：In wide output voltage and load range applications’since the non-monotonic phenomenon in high frequency
region of the
LLC resonant converter and considering of limiting the too high switching frequency, a simple frequency control is difficult to satisfy need and the usual approach is to introduce PWM control on the basis of PFM. The LLC
resonant converter exists such a operating state under certain conditions of PWM control mode, that is, during body
diode reverse recovery of the upper MOSFET of bridge circuit, the lower MOSFET is turned on simultaneously, the instantaneous pass-through phenomenon will cause excessive voltage and current stress and lead to MOSFET failure. The mechanism failure is analyzed,the solution is proposed and makes experimental tests are made and get real results.
Key words：LLC resonant converter；PWM；body diode reverse recovery；MOSFET failure EEACC：2180B；1290E
doi:10.3969/j.issn.l005-9490.2018.03.015
PWM控制LLC谐振变换器一种常见MOSFET
失效分析及对策*
包
尔
恒
邓
桂
芳
\\
何玲
\\
周小义
2
(1.广东水利电力职业技术学院自动化工程系，广州510925;2.珠海英搏尔电气股份有限公司，广东珠海519085)摘要：在宽范围输出电压及负载变化范围较大的应用场合，LLC谐振变换拓扑的高频区不单调现象及考虑过高开关频率的 限制，单纯的调频控制难以满足要求，业界常用的解决方案是在PFM基础上引人PWM控制。这种混合控制模式的LLC电路 在PWM工作模态特定条件下桥式电路出现的“上管MOSFET体二极管反向恢复、下管开通”的瞬时直通现象将引起MOSFET 电压电流应力超标而失效。分析了失效模式机理、提出了解决方案并进行了实验验证。关键词：LLC谐振变换器;PWM;体二极管反向恢复;MOSFET失效中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号：1005-9490(2018)03-0621-04
在电动汽车充电模块和标准通信电源等宽输出 电压范围及负载变化较大的应用中[1-2],从LLC增 益一频率特性曲线上看，随着输出电压降低和负载 减小，变换器的工作频率需要不断增加，尤其是由于 追求高效率而将K值（励磁电感和谐振电感的比 值)取值比较大的情况下[3_4]，低压轻载时特性曲线 在高频段将变得非常平坦、导致需要的开关频率无 限高且频率对输出电压的调节作用大大减弱而引发 电压稳定、纹波及杂音超标等一系列实际问题[5]; 另外，由于驱动电路、功率半导体本身等方面的限 制，变换器的工作频率不可能无限制的高，有个最高 工作频率限制。当变换器达到最高频率后，通常的
处理方法是关机、间歇工作或让变换器工作在调宽 (PWM)状态来调节变换器的输出。前两种方式对 变换器的性能有较大影响，通过PWM调节变换器 增益为业界常用方式[6]，也就是当频率达到设定的 最高频率后，引人PWM方式对变换器进行控制而 使LLC谐振变换器工作于PWM状态[7-8]。
1 PWM控制LLC谐振变换器开关失
效模式分析
在某1 000 W标准通信电源模块开发过程中，
DC-DC变换部分采用半桥LLC谐振拓扑（见图1 )， LLC输人电压为前级功率因数校正电路(PFC)输出
项目来源:广东水利电力职业技术学院“一流高职”科学研究和社会服务能力建设项目（cy06040301) 收稿日期：2017-05-10 修改日期：2017-06-13
622电子器件第41卷
电压 400 V，额定输出 1 000 W/53.5 V(0~58 V 可调），考虑低压轻载时的单调性问题和最高频率限 制，采用PFM + PWM混合控制方式，控制策略见 图2,在低压轻载区采用PWM控制，在模块开发调 试过程中，出现相当比例的模块上电起机瞬间炸机 现象，均出现电路MOSFET的失效。对起机过 程MOSFET电压电流应力进行测试，发现MOSFET 漏源极电压（
)应力超过650 V，电流（/D)应力达
到50 A(如图3:通道1为Q2电流波形；通道2为
Q2的FCs电压波形;通道3为Q2的Fds电压波形）。 MOSFET 采用 Infineon 公司的 SPW15N60C3 (漏源
击穿电压600 V，最大脉冲电流限值45 A)，测试结 果表明电压和电流应力都超出了 MOSFET限值。
DR,
DRa
图1半桥电路
不J^=1.3100)is
=-1.3496 HS
1
图3下管〇2电压电流应力测试波形
从控制策略看，起机过程输出电压从0上升为 额定电压的过程中必然经历PWM控制区域，对HC 谐振变换器在PWM控制模式下的开关模态进行分
析[9_10](图 4):
n______102_ 厂GS
图4 PWM控制模式开关模态分析
模态1(«。~^) «。时刻，Q:开通，开通前谐振电流不为0并通过Q2体二极管D2续流，Q2的FdS 电压为0而Q1的FdS电压为输人母线电压，故Q1为 非ZVS硬开通;Q1开通后，其FdS电压迅速下降为0
而Q2的FdS电压上升为母线电压，谐振电流经Q1
流通直至h时刻Q1关断。
模态2〇1~〇 ^时刻Q1关断，Q1的FdS电压 迅速上升为母线电压而Q2的FdS电压下降为0,同 时正向谐振电流下降。
模态3 (^ ~^ ) ^时刻谐振电流过0并继续反向谐振，电流反向后Q1结电容放电其FdS电压开始 下降至^时刻降为0。
模态4〇3~«4) «3时刻Q1的^ds电压降低为0而其体二极管开始续流负向谐振电流（见图5 )，直 至k时刻Q2开通。电流从D1到Q2迅速换流，由 于Q2开通前Fds电压为输人母线电压，为非ZVS硬 开通。由于此时体二极管D1在续流，Q2开通瞬间
D】关断，由于Infineon C3系列MOSFET体二极管反
向恢复特性比较差（SPW15NC3反向恢复时间为 460 ns，峰值反向恢复电流55A)[11]，故D1产生很大 的反向恢复电流（对应图3所示的Q2开通瞬间的 电流尖峰），出现“上管体二极管反向恢复、下管开 通”的瞬时直通工作状态。该时刻前后对应的工作 模式如图5、图6所示。
DR,
DI^
图5 Q2开通前瞬间工作模式
第3期 包尔恒，邓桂芳等:
PWM控制LLC谐振变换器一种常见MOSFET失效分析及对策
623
图6 Q2开通瞬间工作模式
根据上面的分析，LLC在起机过程中，由于输出 电压建立过程中出现的PWM工作状态，导致LLC 桥式电路的上下管出现“上管体二极管反向恢复、 下管开通”的短时直通工作状态，这种工作状态会 对起机过程中可靠性造成一定的影响:快速变化的
(大的di/d〇反向恢复电流在引线电感上感应出很 高的电压尖峰，导致FDs超出电压应力的限制要求， 同时短时的直通现象造成MOSFET的电流应力超 标而引发MOSFET过压过流失效。
2
对策及实验
2.1采用体二极管具有快恢复特性的CFD系列
MOSFET
由于SPW15N60C3体二极管反向恢复特性比 较差，采用体二极管具有快恢复特性的CFD系列
MOS管SPW15N60CFD(反向恢复时间147 ns，峰值
反向恢复电流12 A)[12]，对起机过程电压电流应力 重新测试，测试结果如图7所示。电流应力29.4 A， 电压应力512 V，都未超出限额值并有一定裕量，此 后对20台样机在各种条件下进行测试，均为出现
MOSFET 失效现象。
status_________________________khiu
-3.6 ^ to 发
图7采用SPW15N60CFD的应力测试
2.2增大MOSFET驱动电阻减缓开通速度
增大驱动电阻，降低MOSFET的开通速度使开
通得以延时，至上管体二极管反向恢复完成后下管 才完全开通，以避免造成上管体二极管反向恢复过 程中下管开通的瞬时直通现象出现，将驱动电阻由
原来的10 n增大到20 Q，电压应力和电流应力测 试均满足要求，见图8(通道1:电压应力596 V;通 道2:电流应力小于40 A)。
图8 20 ft驱动电阻时的应力测试波形
以上两种对策都解决了电压电流应力超标引起 的MOSFET失效问题，但由于驱动电阻的增大导致
MOSFET的开关速度变缓，由于LLC谐振变换器在 PWM控制模态下MOSFET为硬开关，慢的开关速
度导致开关损耗加大，实际中需要考虑MOSFET的 温升问题，尤其是模块低压限流态工作于PWM控 制模式下的温升需要特别关注，温升和应力需要折 中考虑，建议的解决方案是采用体二极管具有快恢 复特性的MOSFET。
3
结论
本文测试并分析了 LLC谐振变换器在PWM工作
模式下桥臂上下管出现“上管体二极管反向恢复、下管
开通”的短时直通工作状态，该状态造成MOSFET电压 电流应力超标而失效，通过采用CFD系列MOSFET或 增大MOSFET驱动电阻可以解决应力超标问题，经实 验验证取得好的效果，对PWM控制模态下LLC谐振电 路的可靠性分析具有一定的参考价值。参考文献：
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www. infineon. com.
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