在電源應用中，LLC拓撲因為零電壓開關(ZVS)實現了軟開關，具有極低的開關損耗、較低的器件應力，且能做到較高的頻率應用。然而，ZVS範圍非常窄，續流電流消耗很高，出現了很多MOSFET的失效問題。這種失效的主要原因是：MOSFET體二極體的反向恢復較慢或者是空載或輕載情況下，出現高Cdv/dt直通。 LLC諧振半橋變換器拓撲如圖1所示，典型波形如圖2所示。 圖1中，諧振電路包括諧振電容Cr，勵磁電感Lm，諧振電感Lr。Lm與Lr和Cr共同形成一個諧振點。重載情況下，Lm因為反射負載R0的作用可視為短路，輕載情況下Lm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fr1和fr2之間變動，如以下公式所示。 LC諧振變換器的失效模式
 圖4 啟動狀態下潛在失效模式的波形 圖3給出了啟動時MOSFET的開關波形，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，這些完全放完電的電容會使低端MOS管Q2的體二極體深度導通。因此流經Q2體二極體的反向恢復電流非常高，致使當高端MOS管Q1導通時直通。啟動狀態下，在體二極體反向恢復時，非常可能發生功率MOSFET的潛在失效。圖4為 啟動狀態下潛在失效模式的波形。
 圖5 LLC諧振變換器的直流增益
圖5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，空載時最小諧振頻率fr2的左側(紅框)表示ZCS區域，fr1和fr2之間可能是ZVS，也可能是ZCS，由負載決定。紫色區域表示感性負載，粉色區域表示容性負載。圖6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。MOSFET在零電流處關斷。在MOSFET開通前，電流流過另一個MOSFET的體二極體。當MOSFET開關開通另一個MOSFET體二極體的反向恢復應力很大。由於大反向恢復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最小化。MOSFET的輸入電容不會因米勒效應而增加。而且體二極體的反向恢復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復電流、結電容放電引起的主要的開關損耗和應力。 圖7給出了過載情況下工作點的軌跡。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Ro完全短路。這種情況通常會導致變換器工作在ZCS區域。ZCS最嚴重的缺點是：開通時為硬開關，從而導致二極體反向恢復應力很大。此外，還會增加開通損耗，產生噪聲或EMI。 二極體關斷伴隨非常大的dv/dt，因此在很大的di/dt條件下，會產生很高的反向恢復電流尖峰。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，使整個系統失效。  圖7 LLC變換器的工作點
短路模式的最壞情況為短路。短路時，MOSFET導通電流非常高，頻率也會降低。當發生短路時，諧振迴路中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只與Lr發生諧振。短路時次級二極體在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體的反向恢復電流更大。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 二極體反向恢復dv/dt 二極體由通態到反向阻斷狀態的開關過程稱為反向恢復。圖8給出了MOSFET體二極體反向恢復的波形。首先體二極體正嚮導通，持續一段時間。當反向電壓加到二極體兩端時，回到阻斷狀態。這個過程就是釋放儲存的電荷，會流過一個大的反向電流。在該過程中，大的反向恢復電流因為導通溝道已經切斷而流過MOSFET的體二極體。
圖8 體二極體反向恢復時電壓與電流波形以及失效波形  圖9 MOSFET的結構和等效電路 圖8給出了體二極體反向恢復時MOSFET失效波形。電流等級超過反向恢復電流峰值時使器件失效。這意味著峰值電流觸發了寄生BJT。 如圖9所示，Rb表示一個小電阻。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，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，最終導致器件失效。 |
