常見MOSFET失效模式的分析與解決方法
發布時間：2022-06-01 責任編輯：wenwei
【導讀】提高功率密度已經成為電源變換器的發展趨勢。為達到這個目標，需要提高開關頻率，從而降低功率損耗、係 統整體尺寸以及重量。對於當今的開關電源(SMPS)而言，具有高可靠性也是非常重要的。零電壓開關(ZVS) 或零電流開關(ZCS) 拓撲允許采用高頻開關技術，可以 大限度地降低開關損耗。ZVS拓撲允許工作在高頻開 關下，能夠改善效率，能夠降低應用的尺寸，還能夠降 低功率開關的應力，因此可以改善係統的可靠性。LLC 諧振半橋變換器因其自身具有的多種優勢逐漸成為一種 主流拓撲。這種拓撲得到了廣泛的應用，包括高端服務 器、平板顯示器電源的應用。但是，包含有LLC諧振半 橋的ZVS橋式拓撲，需要一個帶有反向快速恢複體二極 管的MOSFET，才能獲得更高的可靠性。
在功率變換市場中，尤其對於通信/服務器電源應用，不 斷提高功率密度和追求更高效率已經成為具挑戰性的 議題。對於功率密度的提高，普遍方法就是提高開關 頻率，以便降低無源器件的尺寸。零電壓開關(ZVS)拓 撲因具有極低的開關損耗、較低的器件應力而允許采用 高開關頻率以及較小的外形，從而越來越受到青睞 。這些諧振變換器以正弦方式對能量進行處理，開 關器件可實現軟開閉，因此可以大大地降低開關損耗和 噪聲。在這些拓撲中，相移ZVS全橋拓撲在中、高功率 應用中得到了廣泛采用，因為借助功率MOSFET的等效 輸出電容和變壓器的漏感可以使所有的開關工作在ZVS 狀態下，無需額外附加輔助開關。然而，ZVS範圍非常 窄，續流電流消耗很高的循環能量。近來，出現了關於 相移全橋拓撲中功率MOSFET失效問題的討論。這種 失效的主要原因是：在低反向電壓下，MSOFET體二極 管的反向恢複較慢。另一失效原因是：空載或輕載情況 下，出現Cdv/dt直通。在LLC諧振變換器中的一個潛在 失效模式與由於體二極管反向恢複特性較差引起的直通 電流相關。即使功率MOSFET的電壓和電流處於安全工作區域，反向恢複dv/dt和擊穿dv/dt也會在如啟動、 過載和輸出短路的情況下發生。
LLC諧振半橋變換器
LLC諧振變換器與傳統諧振變換器相比有如下優勢：
■寬輸出調節範圍，窄開關頻率範圍
■即使空載情況下，可以保證ZVS
■利用所有的寄生元件，來獲得ZVS
LLC諧振變換器可以突破傳統諧振變換器的局限。正是 由於這些原因，LLC諧振變換器被廣泛應用在電源供電 市場。LLC諧振半橋變換器拓撲如圖1所示，其典型波 形如圖2所示。圖1中，諧振電路包括電容Cr和兩個與之 串聯的電感Lr和Lm。作為電感之一，電感Lm表示變壓器 的勵磁電感，並且與諧振電感Lr和諧振電容Cr共同形成 一個諧振點。重載情況下，Lm會在反射負載RLOAD的作用 下視為完全短路，輕載情況下依然保持與諧振電感Lr串 聯。因此，諧振頻率由負載情況決定。Lr 和Cr決定諧振 頻率fr1，Cr和兩個電感Lr 、Lm決定第二諧振頻率fr2，隨 著負載的增加，諧振頻率隨之增加。諧振頻率在由變壓 器和諧振電容Cr決定的大值和小值之間變動，如公 式1、2所示。
LLC諧振變換器的失效模式
啟動失效模式
圖3和圖4給出了啟動時功率MOSFET前五個開關波形。 在變換器啟動開始前，諧振電容和輸出電容剛好完全放電。與正常工作狀況相比，在啟動過程中，這些空電容會使低端開關Q2的體二極管深度導通。因此流經開關 Q2體二極管的反向恢複電流非常高，致使當高端開關 Q1導通時足夠引起直通問題。啟動狀態下，在體二極管 反向恢複時，非常可能發生功率MOSFET的潛在失效。 圖5給出了LLC諧振半橋變換器啟動時的簡化波形。
圖6給出了可能出現潛在器件失效的工作模式。在t0~t1時 段，諧振電感電流Ir變為正。由於MOSFET Q1處於導通 狀態，諧振電感電流流過MOSFET Q1 溝道。當Ir開始上 升時，次級二極管D1導通。因此，式3給出了諧振電感 電流Ir的上升斜率。因為啟動時vc(t)和vo(t)為零，所有的 輸入電壓都施加到諧振電感Lr的兩端。這使得諧振電流劇增。
在t1~ t 2時段，MOSFET Q1門極驅動信號關斷，諧振電感 電流開始流經MOSFET Q2的體二極管，為MOSFET Q2產生 ZVS條件。這種模式下應該給MOSFET Q2施門極信號。由 於諧振電流的劇增，MOSFET Q2體二極管中的電流比正 常工作狀況下大很多。導致了MOSFET Q2的P-N結上存儲 更多電荷。
在t2~t3時段，MOSFET Q2施加門極信號，在t0~t1時段 劇增的諧振電流流經MOSFET Q2溝道。由於二極管D1 依然導通，該時段內諧振電感的電壓為：
該電壓使得諧振電流ir(t)下降。然而，
很小，並不足以在這個時間段 內使電流反向。在t3時刻，MOSFET Q2電流依然從源 極流向漏極。另外，MOSFET Q2的體二極管不會恢複，因為漏源極之間沒有反向電壓。下式給出了諧振 電感電流Ir的上升斜率：
在t3~t4時段，諧振電感電流經MOSFET Q2體二極管續 流。盡管電流不大，但依然給MOSFET Q2的P-N結增加 儲存電荷。
在t4~t5時段，MOSFET Q1通道導通，流過非常大的直 通電流，該電流由MOSFET Q2體二極管的反向恢複電 流引起。這不是偶然的直通，因為高、低端MOSFET正 常施加了門極信號;如同直通電流一樣，它會影響到該 開關電源。這會產生很大的反向恢複dv/dt，有時會擊穿 MOSFET Q2。這樣就會導致MOSFET失效，並且當采 用的MOSFET體二極管的反向恢複特性較差時，這種失 效機理將會更加嚴重。
過載失效模式
圖7給出了不同負載下LLC諧振變換器的直流增益特性 曲線。根據不同的工作頻率和負載可以分為三個區域。 諧振頻率fr1的右側(藍框)表示ZVS區域，空載時小 第二諧振頻率fr2的左側(紅框)表示ZCS區域，fr1和fr2 之間的可能是ZVS或者ZCS，由負載狀況決定。所以紫 色的區域表示感性負載，粉色的區域表示容性負載。圖 8給出了感性和容性負載下簡化波形。當開關頻率 fs<fr2，諧振電路的輸入阻抗為容性。因此，諧振電路電 流超前於mosfet兩端電壓的基波分量;mosfet電流="" 在其開通後為正，在其關斷前為負。 <="" span="">
MOSFET在零電流處關斷。在MOSFET開通前，電流流 過另一個MOSFET的體二極管。當MOSFET開關開通， 另一個MOSFET體二極管的反向恢複應力很大。由於大 反向恢複電流尖峰不能夠流過諧振電路，它將流過另一個MOSFET。這就會產生很大的開關損耗，並且電流和 電壓尖峰能夠造成器件失效。因此，變換器需要避免工 作在這個區域。
對於開關頻率fs>fr1，諧振電路的輸入阻抗為感性。MOSFET電流在開通後為負，關斷前為正。MOSFET開 關在零電壓處開通。因此，不會出現米勒效應從而使開 通損耗小化。MOSFET的輸入電容不會因米勒效應而 增加。而且體二極管的反向恢複電流是正弦波形的一部 分，並且當開關電流為正時，會成為開關電流的一部 分。因此，通常ZVS優於ZCS，因為它可以消除由反向 恢複電流、結電容放電引起的主要的開關損耗和應力。
圖9給出了過載情況下工作點移動軌跡。變換器正常工 作在ZVS區域，但過載時，工作點移動到ZCS區域，並 且串聯諧振變換器特性成為主導。過載情況下，開關電 流增加，ZVS消失，Lm被反射負載RLOAD完全短路。
這種情況通常會導致變換器工作在ZCS區域。ZCS(諧振 點以下)嚴重的缺點是：開通時為硬開關，從而導致 二極管反向恢複應力。此外，還會增加開通損耗，產生 噪聲或EMI。
二極管關斷伴隨非常大的dv/dt，因此在很大的di/dt條件 下，會產生很高的反向恢複電流尖峰。這些尖峰會比穩 態開關電流幅值大十倍以上。該大電流會使MOSFET損 耗大大增加、發熱嚴重。MOSFET結溫的升高會降低其 dv/dt的能力。在極端情況下，損壞MOSFET，使整個係 統失效。在特殊應用中，負載會從空載突變到過載，為 了能夠保持係統可靠性，係統應該能夠在更惡劣的工作 環境中運行。
圖10和圖11給出了過載時功率MOSFET開關波形。電流 尖峰發生在開通和關斷的瞬間。可以被認作是一種“暫 時直通”。圖12給出了過載時LLC諧振變換器的簡化波 形，圖13給出了可能導致器件潛在失效問題的工作模式。
在t0 ~ t1時段，Q1導通，諧振電感電流Ir為正。由於 MOSFET Q1處於導通狀態，諧振電流流過MOSFET Q1 溝道，次級二極管D1導通。Lm不參與諧振，Cr與Lr諧 振。能量由輸入端傳送到輸出端。
在t1 ~ t2時段，Q1門極驅動信號開通，Q2關斷，輸出電 流在t1時刻為零。兩個電感電流Ir 和 Im相等。次級二極 管都不導通，兩個輸出二極管反向偏置。能量從輸出電 容而不是輸入端往外傳輸。因為輸出端與變壓器隔離， Lm與Lr串聯參與諧振。
在t2 ~ t3時段，MOSFET Q1 依然施加門極信號，Q2關 斷。在這個時段內，諧振電感電流方向改變。電流從 MOSFET Q2的源極流向漏極。D2開始導通，D1反向偏 置，輸出電流開始增加。能量回流到輸入端。
在t3 ~ t4時段，關斷MOSFET Q1和Q2的門極信號，諧振 電感電流開始流過MOSFET Q2的體二極管，這就為 MOSFET Q1創造了ZCS條件。
在t4 ~ t5時段，MOSFET Q2開通，流過一個很大的直通 電流，該電流由MOSFET Q1體二極管的反向恢複電流 產生。這不是偶然的直通，因為高、低端MOSFET正常 施加了門極信號;有如直通電流一樣，它會影響到該開 關電源。這會形成很高的反向恢複dv/dt，時常會擊穿 MOSFET Q2。這樣就會導致MOSFET失效，當使用的 MOSFET體二極管的反向恢複特性較差時，這種失效機 理會更加嚴重。
短路失效模式
最壞情況為短路。短路時，MOSFET導通電流非常高 (理論上無限高)，頻率也會降低。當發生短路時，諧 振回路中Lm被旁路。LLC諧振變換器可以簡化為由Cr和 Lr組成的諧振電路，因為Cr隻與Lr發生諧振。因此圖12 省略了t1 ~ t2時段，短路時次級二極管在CCM模式下連續 導通。短路狀態下工作模式幾乎與過載狀態下一樣，但 是短路狀態更糟糕，因為流經開關體二極管的反向恢複 電流更大。
圖14和圖15給出了短路時功率MOSFET的開關波形。短 路的波形與過載下的波形類似，但是其電流的等級更 高，MOSFET結溫度更高，更容易失效。
功率MOSFET失效機理
體二極管反向恢複dv/dt
二極管由通態到反向阻斷狀態的開關過程稱為反向恢 複。圖16給出了MOSFET體二極管反向恢複的波形。首 先體二極管正向導通，持續一段時間。這個時段中，二 極管P-N結積累電荷。當反向電壓加到二極管兩端時， 釋放儲存的電荷，回到阻斷狀態。釋放儲存電荷時會出 現以下兩種現象：流過一個大的反向電流和重構。在該 過程中，大的反向恢複電流流過MOSFET的體二極管， 是因為MOSFET的導通溝道已經切斷。一些反向恢複電 流從N+源下流過。
如圖18和圖19所示，Rb表示一個小電阻。基本上，寄生 BJT的基極和發射極被源極金屬短路。因此，寄生BJT 不能被激活。然而實際中，這個小電阻作為基極電阻， 當大電流流過Rb時，Rb產生足夠的壓降使寄生BJT基極發射極正向偏置，觸發寄生BJT。一旦寄生BJT開通， 會產生一個熱點，更多的電流將湧入該點。負溫度係數 的BJT會使流過的電流越來越高。終導致器件失效。 圖17給出了體二極管反向恢複時MOSFET失效波形。電 流等級超過反向恢複電流峰值Irm時正好使器件失效。這 意味著峰值電流觸發了寄生BJT。圖20和圖21給出了由 體二極管反向恢複引起芯片失效的燒毀標記。燒毀點是 芯片脆弱的點，很容易就會形成熱點，或者需要恢複 過多儲存電荷。這取決於芯片設計，不同設計技術會有 所變化。
如果反向恢複過程開始前P-N結溫度高於室溫，則更容 易形成熱點。所以電流等級和初始結溫度是器件失效的 兩個重要的因素。影響反向恢複電流峰值的主要因素 有溫度、正向電流和di/dt。圖22給出了反向恢複電流峰 值與正向電流等級的對應曲線。如圖22所示，大限度 抑製體二極管導通，可以降低反向恢複電流峰值。如果 di/dt增大，反向恢複電流峰值也增大。在LLC諧振變換 器中，功率MOSFET體二極管的di/dt與另一互補功率開 關的開通速度有關。所以降低其開通速度也可以減小 di/dt。
擊穿dv/dt
另一種失效模式是擊穿dv/dt。它是擊穿和靜態dv/dt的組 合。功率器件同時承受雪崩電流和位移電流。如果開關 過程非常快，在體二極管反向恢複過程中，漏源極電壓 可能超過大額定值。例如，在圖16中，漏源極電壓 大值超過了570V ，但器件為500V 額定電壓的 MOSFET。過高的電壓峰值使MOSFET進入擊穿模式， 位移電流通過P-N結。這就是雪崩擊穿的機理。另外， 過高的dv/dt會影響器件的失效點。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後，器件受 到傷害，導致失效。基本上，導致失效的根本原因是大 電流、高溫度引起的寄生BJT導通，但主要原因是體二 極管反向恢複或擊穿。實踐中，這兩種失效模式隨機發生，有時同時發生。
解決方法
在啟動、過載或短路狀況下，過流保護方法有多種：
■增加開關頻率
■變頻控製以及 PWM控製
■采用分裂電容和鉗位二極管
為了實現這些方法，LLC諧振變換器需要增加額外的器件、改進控製電路或者重新進行散熱設計，這都增加了係統的成本。有一種更為簡單和高性價比的方法。由於體二極管在LLC諧xie振zhen變bian換huan器qi中zhong扮ban演yan了le很hen重zhong要yao的de角jiao色se，它ta對dui失shi效xiao機ji理li至zhi關guan重zhong要yao，所suo以yi集ji中zhong研yan究jiu器qi件jian的de體ti二er極ji管guan特te性xing是shi解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de好hao方fang法fa。越yue來lai越yue多duo的de應ying用yong使shi用yong內nei嵌qian二er極ji管guan作zuo為wei關guan鍵jian的de係xi統tong元yuan件jian，因yin此ci體ti二er極ji管guan的de許xu多duo優you勢shi得de以yi實shi現xian。其qi中zhong，金jin或huo鉑bo擴kuo散san和he電dian子zi輻fu射she是shi非fei常chang有you效xiao的de 解決方法。這種方法可以控製載流子壽命，從而減少反 向恢複充電和反向恢複時間。隨著反向恢複充電的減 少，反向恢複電流峰值和觸發寄生BJT的可能性也隨之降低。因此，在過流情況下，如過載或短路，這種帶有 改進的體二極管的新功率MOSFET可以提供更耐久、更好的保護。
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