第一部分：系統(tǒng)分析

1、系統(tǒng)框架：

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，功率MOS管在汽車電子的應(yīng)用也日益增多，本文就車載OBC中全橋變換器功率MOS管應(yīng)用及注意事項(xiàng)做簡(jiǎn)單記要。

定義：

OBC是車載充電機(jī)的簡(jiǎn)稱（On Board Charger），主要功能：電網(wǎng)電壓經(jīng)由地面交流充電樁、交流充電口，連接至車載充電機(jī)，給電動(dòng)電池進(jìn)行充電。電動(dòng)汽車的OBC主要由功率電路（PFC+移相全橋/LLC）和控制電路組成，可分為單向OBC和雙向OBC，單向OBC只能給動(dòng)力電池充電，雙向OBC可以把動(dòng)力電池的直流電逆變成為家用220V交流電。

OBC基本框架：

全橋 LLC 諧振變換器以能在寬輸入全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗，而且變壓器的漏感可作為諧振電感，減小了變換器的體積等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前諧振變換器主流。在全橋LLC變換器中需要一個(gè)帶有反向快速恢復(fù)體二極管的MOSFET，才能獲得更高的可靠性。

2、工作原理

全橋變換電路基本架構(gòu)：

上圖中，Q1-Q4為主功率開關(guān)管，D1-D4，C1-C4 為開關(guān)管的體二極管與寄生電容，T 為主功率變壓器，諧振電感 Lr（也可是變壓器的漏感），諧振電容 Cr 和勵(lì)磁電感 Lm 組成 LLC 諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)。

基本工作原理和工作時(shí)序：

階段 1 （t0 - t1 ）： 在 t=t0 時(shí)刻之前，Q1，Q3 的 寄生反并聯(lián)二極管D1，D3 已經(jīng)導(dǎo)通，因此，在 t=t0 時(shí)刻，Q1，Q3 實(shí)現(xiàn)零電壓開通。 變壓器原邊承受正向電壓，整流二極管DR1 導(dǎo)通， 為負(fù)載提供能量，DR2截止。 此時(shí)勵(lì)磁電感的電壓被鉗位在 nV0 ，不參與諧振過(guò)程，勵(lì)磁電流im 線性上升。

階段 2（t1 - t2 ）：在 t=t1 時(shí)刻，諧振電流 ir 與勵(lì)磁電流 im 相等，整流二極管 DR1 零電流關(guān)斷， 輸出側(cè)與諧振回路完全脫離，DR1和 DR2 的電流為零，勵(lì)磁電感 Lm 不在被鉗位，參與諧振過(guò)程，諧振電流 ir 繼續(xù)對(duì)諧振電容 Cr 充電。

階段 3（t2 - t3 ）：在 t=t2 時(shí)刻，開關(guān)管 Q1、Q3 關(guān)斷，諧振電流ir 對(duì) Q1、Q3 的結(jié)電容充電，Q2、Q4 的結(jié)電容放電，在 t3 時(shí)刻，Q2，Q4 兩端電壓下降到零， 為 Q2，Q4 零電壓開通準(zhǔn)備了條件。

階段 4（t3 -t4 ）：開關(guān)管 Q1、Q3 仍是關(guān)斷狀態(tài)，ir 和 im 都在下降，變壓器原邊承受反向電壓，整流二極管 DR2 導(dǎo)通。 勵(lì)磁電感的電壓重新被輸出鉗位，所以，退出諧振過(guò)程，參與諧振的只有諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 。

階段 5（t4 - t5 ）：在 t=t4 時(shí)刻，開關(guān)管 Q2，Q4 開通，輸入電壓通過(guò) Lr ，Cr 諧振向負(fù)載傳輸能量。 在 t=t5 時(shí)刻，諧振電流 ir 與達(dá)到勵(lì)磁電流 im 相等， 輸出側(cè)與諧振回路脫離， 整流二極管DR2 實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，Lm 仍被鉗位，不參加諧振，勵(lì)磁電流 i m線性下降。

階段 6（t5 - t6 ）：在 t=t5 時(shí)刻，整流二極管 DR2 零電流關(guān)斷，輸出側(cè)與諧振回路脫離，勵(lì)磁電感的電壓不在被鉗位，參與諧振過(guò)程。

階段 7（t6 - t7 ）：在 t=t6 時(shí)刻，開關(guān)管 Q2、Q4 關(guān)斷，Q1、Q3 結(jié)電容放電。 在 t=t7 時(shí)刻，寄生二極管 D1、D3 導(dǎo)通，Q1、Q3 兩端的電壓下降到零， 為開關(guān)管 Q1、Q3 的零電壓開通準(zhǔn)備了條件。

階段 8（t7 - t8 ）：開關(guān)管 Q2、Q4 仍然關(guān)斷，整流二極管 DR1導(dǎo)通。 勵(lì)磁電感的電壓被輸出鉗位，所以，不參與諧振過(guò)程，發(fā)生諧振的只有諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 。

工作波形如下：

第二部分：失效模式分析

1、啟動(dòng)失效模式

在變換器啟動(dòng)開始前，諧振電容和輸出電容剛好完全放電。與正常工作狀況相比，在啟動(dòng)過(guò)程中，這些空電容會(huì)使低邊開關(guān)的體二極管深度導(dǎo)通。因此流經(jīng)體二極管的反向恢復(fù)電流非常高，致使當(dāng)高邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)引起直通問(wèn)題。

啟動(dòng)狀態(tài)下潛在失效模式簡(jiǎn)化圖

在t4~t5時(shí)段，MOSFET流過(guò)非常大的直通電流，該電流由MOSFET體二極管的反向恢復(fù)電流引起。這會(huì)產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)dv/dt，加劇柵極振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿mos。當(dāng)采用的MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性較差時(shí)，這種失效機(jī)理將會(huì)更加嚴(yán)重。

啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)功率MOSFET的測(cè)量波形

2、過(guò)載失效模式

過(guò)載時(shí)功率MOSFET的測(cè)量波形

變換器正常工作在ZVS區(qū)域，但過(guò)載時(shí)，工作點(diǎn)移動(dòng)到ZCS區(qū)域，并且串聯(lián)諧振變換器特性成為主導(dǎo)。過(guò)載情況下，開關(guān)電流增加，ZVS消失，Lm被反射負(fù)載RLOAD完全短路。這種情況通常會(huì)導(dǎo)致變換器工作在ZCS區(qū)域。ZCS（諧振點(diǎn)以下）嚴(yán)重的缺點(diǎn)是：開通時(shí)為硬開關(guān)，從而導(dǎo)致二極管反向恢復(fù)應(yīng)力。此外，還會(huì)增加開通損耗，產(chǎn)生噪聲或EMI。

二極管關(guān)斷伴隨非常大的dv/dt，因此在很大的di/dt條件下，會(huì)產(chǎn)生很高的反向恢復(fù)電流尖峰。該大電流會(huì)使MOSFET損耗大大增加、發(fā)熱嚴(yán)重。MOSFET結(jié)溫的升高會(huì)降低其 dv/dt的能力。在極端情況下，損壞MOSFET，使整個(gè)系統(tǒng)失效。

3、短路失效模式

短路時(shí)，MOSFET導(dǎo)通電流非常高（理論上無(wú)限高），頻率也會(huì)降低。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，諧振回路中Lm被旁路。LLC諧振變換器可以簡(jiǎn)化為由Cr和 Lr組成的諧振電路，因?yàn)镃r只與Lr發(fā)生諧振。短路時(shí)次級(jí)二極管在CCM模式下連續(xù)導(dǎo)通。短路狀態(tài)下工作模式幾乎與過(guò)載狀態(tài)下一樣，但是短路狀態(tài)更糟糕，因?yàn)榱鹘?jīng)開關(guān)體二極管的反向恢復(fù)電流更大。

短路時(shí)功率MOSFET的測(cè)量波形

第三部分：器件失效原理分析

1、體二極管反向恢復(fù)dv/dt

二極管由通態(tài)到反向阻斷狀態(tài)的開關(guān)過(guò)程稱為反向恢復(fù)。下圖給出了MOSFET體二極管反向恢復(fù)的波形。首先體二極管正向?qū)?，持續(xù)一段時(shí)間。這個(gè)時(shí)段中，二極管P-N結(jié)積累電荷。當(dāng)反向電壓加到二極管兩端時(shí)，釋放儲(chǔ)存的電荷，回到阻斷狀態(tài)。在此過(guò)程中，反向電流迅速上升并達(dá)到峰值，隨后逐漸衰減至零。由于載流子復(fù)合需要一定時(shí)間，體二極管在反向恢復(fù)期間呈現(xiàn)短暫的導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致瞬態(tài)大電流與高電壓同時(shí)存在于器件中，產(chǎn)生顯著的功率應(yīng)力。這一階段的dv/dt過(guò)高會(huì)引發(fā)較大的位移電流，可能造成柵極電壓抬升，誘發(fā)MOSFET誤導(dǎo)通，進(jìn)而加劇損耗，甚至導(dǎo)致器件熱失效。

體二級(jí)管反向恢復(fù)時(shí)電流和電壓波形

體二級(jí)管反向恢復(fù)時(shí)電流和電壓波形

2、擊穿 dv/dt

另一種失效模式是擊穿dv/dt。它是擊穿和靜態(tài) dv/dt 的組合。功率器件同時(shí)承受雪崩電流和位移電流。如果開關(guān)過(guò)程非常快，在體二極管反向恢復(fù)過(guò)程中，漏源極電壓可能超過(guò)最大額定值。過(guò)高的電壓峰值使 MOSFET 進(jìn)入雪崩擊穿模式。dv/dt 越大，建立起的位移電流就越大。位移電流疊加到雪崩電流后，器件受到傷害，導(dǎo)致失效?；旧希瑢?dǎo)致失效的根本原因是大電流、高溫度引起的寄生BJT導(dǎo)通，但主要原因是體二極管反向恢復(fù)或擊穿。實(shí)踐中，這兩種失效模式隨機(jī)發(fā)生，有時(shí)同時(shí)發(fā)生。

第四部分：案例分析

案例1：客戶3.3KW充電機(jī)應(yīng)用

問(wèn)題點(diǎn)：關(guān)斷柵極震蕩嚴(yán)重

使用NCE65TF099做LLC電路，輸入直流320V到460V，輸出交流220V，負(fù)載15A。

主電路圖：

問(wèn)題描述：在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)MOS存在關(guān)斷震蕩的情況，測(cè)試波形如下：

測(cè)試發(fā)現(xiàn)黃色波形的震蕩產(chǎn)生在MOS管DS向上爬升階段，說(shuō)明體二極管漏源電壓突然上升，CGD位移電流給QGS充電，柵壓過(guò)沖上升。

改進(jìn)方法：

在MOS管G、D極增加磁珠

加大DS的吸收（222+2.2Ω）

加大MOS的驅(qū)動(dòng)電阻（22Ω），減小MOS的關(guān)斷電阻4.7Ω

在GS端并聯(lián)電容，最大加大到332,均可有效抑制正端及驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓。

更改后測(cè)試波形：

結(jié)論：通過(guò)對(duì)全橋LLC電路的調(diào)整，加大驅(qū)動(dòng)電阻、減小關(guān)斷電阻、同時(shí)在G、D增加磁珠能有效防止驅(qū)動(dòng)震蕩。

案例2：客戶10KW充電機(jī)應(yīng)用

問(wèn)題點(diǎn)：上電啟動(dòng)失效

使用NCE65NF036T做LLC電路，輸入直流320V到460V，輸出交流220V，負(fù)載45A。

驅(qū)動(dòng)局部電路圖：

問(wèn)題描述：器件體二極管反向恢復(fù)期間，上下管出現(xiàn)直通。啟動(dòng)瞬間器件失效，測(cè)量波形如下；

改進(jìn)方法：

開通電阻有原先10ohm調(diào)整為 43ohm，關(guān)斷用三極管直接下拉。

更改后測(cè)量波形：?jiǎn)?dòng)工作正常，未發(fā)生直通損壞。

結(jié)論：通過(guò)調(diào)整，加大驅(qū)動(dòng)電阻、減小關(guān)斷電阻，降低其開通速度減小di/dt，從而減小體二極管的反向恢復(fù)dv/dt，避免柵極驅(qū)動(dòng)電壓抬升過(guò)高，導(dǎo)致直通。