解析LLC谐振半桥变换器的失效模式

图12. 过载时潜在失效模式的简化波形

图10和图11给出了过载时功率MOSFET开关波形。电流尖峰发生在开通和关断的瞬间。可以被认作是一种“暂时直通”。图12给出了过载时LLC谐振变换器的简化波形，图13给出了可能导致器件潜在失效问题的工作模式。

在t₀~t₁时段，Q1导通，谐振电感电流I_r为正。由于MOSFET Q1处于导通状态，谐振电流流过MOSFET Q1沟道，次级二极管D1导通。L_m不参与谐振，C_r与L_r谐振。能量由输入端传送到输出端。

在t₁~t₂时段，Q1门极驱动信号开通，Q2关断，输出电流在t₁时刻为零。两个电感电流Ir和Im相等。次级二极管都不导通，两个输出二极管反向偏置。能量从输出电容而不是输入端往外传输。因为输出端与变压器隔离，L_m与L_r串联参与谐振。

在t₂~t₃时段，MOSFET Q1依然施加门极信号，Q2关断。在这个时段内，谐振电感电流方向改变。电流从MOSFET Q2的源极流向漏极。D2开始导通，D1反向偏置，输出电流开始增加。能量回流到输入端。

在t₃~t₄时段，关断MOSFET Q1和Q2的门极信号，谐振电感电流开始流过MOSFET Q2的体二极管，这就为MOSFET Q1创造了ZCS条件。

在t₄~t₅时段，MOSFET Q2开通，流过一个很大的直通电流，该电流由MOSFET Q1体二极管的反向恢复电流产生。这不是偶然的直通，因为高、低端MOSFET正常施加了门极信号；有如直通电流一样，它会影响到该开关电源。这会形成很高的反向恢复dv/dt，时常会击穿MOSFET Q2。这样就会导致MOSFET失效，当使用的MOSFET体二极管的反向恢复特性较差时，这种失效机理会更加严重。

(a) t₁-t₂

(b) t₁-t₂

(c) t₂-t₃

(d) t₃-t₄

(e) t₄-t₅

 图13. 过载时LLC谐振半桥变换器的潜在失效工作模式

最坏情况为短路。短路时，MOSFET导通电流非常高 （理论上无限高），频率也会降低。当发生短路时，谐 振回路中L_m被旁路。LLC谐振变换器可以简化为由C_r和 L_r组成的谐振电路，因为Cr只与L_r发生谐振。因此图12 省略了t₁~t₂时段，短路时次级二极管在CCM模式下连续 导通。短路状态下工作模式几乎与过载状态下一样，但 是短路状态更糟糕，因为流经开关体二极管的反向恢复 电流更大。

图14. 短路时功率MOSFET的测量波形

图15. 短路时功率MOSFET的仿真波形

图14和图15给出了短路时功率MOSFET的开关波形。短路的波形与过载下的波形类似，但是其电流的等级更高，MOSFET结温度更高，更容易失效。