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          提升電源系統(tǒng)可靠性的有效選擇

          作者: 時間:2012-06-05 來源:網(wǎng)絡 收藏

          對MOSFET結構有一定了解的工程師都知道,MOSFET不同于IGBT,在MOSFET內(nèi)部其實寄生有一個體二極管,跟普通二極管一樣在截止過程中都需要中和載流子才能反向恢復, 而只有二極管兩端加上反向電壓才能夠使這個反向恢復快速完成, 而反向恢復所需的能量跟二極管的電荷量Qrr相關, 而體二極管的反向恢復同樣需要在體二極管兩端加上一個反向電壓。在啟機時加在二極管兩端的電壓Vd=Id2 x RON. 而Id2在啟機時幾乎為零,而二極管在Vd較低時需要很長的時間來進行反向恢復。如果死區(qū)時間設置不夠,如圖5所示高的dv/dt會直接觸發(fā)MOSFET內(nèi)的BJT從而擊穿MOSFET.

          圖5

          圖5

          通過實際的測試,我們可以重復到類似的波形,第二個開關周期產(chǎn)生遠比第一個開關周期高的峰值電流,同時當MOSFET在啟機的時dv/dt高118.4V/ns. 而Vds電壓更是超出了600V的最大值。MOSFET在啟機時存在風險。

          圖6

          圖6

          3.22 異常狀態(tài)分析

          下面我們繼續(xù)分析在負載劇烈變化時,對LLC拓撲來說存在那些潛在的風險。

          在負載劇烈變化時,如短路,動態(tài)負載等狀態(tài)時,LLC電路的關鍵器件MOSFET同樣也面臨著挑戰(zhàn)。

          通常負載變化時LLC 都會經(jīng)歷以下3個狀態(tài)。我們稱之為硬關斷, 而右圖中我們可以比較在這3個時序當中,傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS內(nèi)部載流子變化的不同, 以及對MOSFET帶來的風險。

          時序1, Q2零電壓開通,反向電流經(jīng)過MOSFET和體二極管, 此時次級二極管D2開通,D1關段。

          -傳統(tǒng)MOSFET此時電子電流經(jīng)溝道區(qū),從而減少空穴數(shù)量

          -CoolMOS此時同傳統(tǒng)MOSFET一樣電子電流經(jīng)溝道,穴減少,不同的是此時CoolMOS 的P井結構開始建立。

          時序2, Q1和Q2同時關斷,反向電流經(jīng)過MOSFETQ2體二極管。

          Q1和Q2關斷時對于傳統(tǒng)MOSFET和CoolMOS來說內(nèi)部電子和空穴路徑和流向并沒有太大的區(qū)別。

          時序3, Q1此時開始導通,由于負載的變化, 此時MOSFET Q2的體二極管需要很長的時間來反向恢復。當二極管反向恢復沒有完成時MOSFET Q2出現(xiàn)硬關斷, 此時Q1開通,加在Q2體二極管上的電壓會在二極管形成一個大電流從而觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT造成雪崩。

          -傳統(tǒng)MOSFET此時載流子抽出,此時電子聚集在PN節(jié)周圍, 空穴電流擁堵在PN節(jié)邊緣。

          -CoolMOS的電子電流和空穴電流各行其道, 此時空穴電流在已建立好的P井結構中流動,并無電子擁堵現(xiàn)象。

          綜上, 當LLC電路出現(xiàn)過載,短路,動態(tài)負載等條件下, 一旦二極管在死區(qū)時間不能及時反向恢復, 產(chǎn)生的巨大的復合電流會觸發(fā)MOSFET內(nèi)部的BJT使MOSFET失效。

          InfinEON CoolMOS采用Super Juction結構, 這種結構在MOSFET硬關斷的狀態(tài)下, 載流子會沿垂直構建的P井中復合, 基本上沒有側向電流, 大大減少觸發(fā)BJT的機會。

          4. 如何更容易實現(xiàn)ZVS

          通過以上的分析,可以看到增加MOSFET的死區(qū)時間,可以提供足夠的二極管反向恢復時間同時降低高dv/dt, di/dt 對LLC電路造成的風險。但是增加死區(qū)時間是唯一的么?下面我們進一步分析如何夠降低風險效率。

          圖7



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