LLC的短路調(diào)試記錄

經(jīng)過昨天短路保護(hù)的理論分析，實(shí)現(xiàn)可靠的短路保護(hù)的條件有：

1、管子的SOA工作區(qū)域

2、快速拉升頻率

3、副邊恒流環(huán)動作

下面是我實(shí)際的測試和分析：

第一部分 管子的SOA工作區(qū)域

管子能在短時間內(nèi)扛住較大的脈沖電流，且不能損壞。這對選擇MOSFET時，需要對SOA區(qū)域和最大的脈沖電流有一定的考慮。當(dāng)然，講到這里。就需要考慮管子的體二極管性能，在短路時的作用。在短路時，不僅僅溝道流過了較大的電流，而且電流也會從體二極管流過。如果體二極管的恢復(fù)性能較差，那么在30A左右的電流流過體二極管時，引起體二極管反向恢復(fù)的問題，則會表現(xiàn)出非常高的電壓應(yīng)力，可能會因?yàn)殡妷焊哂诠茏幽蛪憾鴵p壞?？梢钥聪聢D1中，短路時流過管子的波形：

（圖一）

紫色波形為流過管子的電流，其正向部分是流過電流的正弦部分。但是也可以注意到，負(fù)向的電流是從體二極管流過的。

（圖二）

這是帶滿負(fù)載啟機(jī)時，開機(jī)瞬間，前面幾個電流波形。可以看到在剛開機(jī)時，流過體二極管的電流是非常大的，如果體二極管性能較差，可能會在啟機(jī)時引起反向恢復(fù)的應(yīng)力問題。

下面這個是在啟機(jī)后短路，管子失效時的電流波形。對比上面5A一格不同，下面是20A一格，可以看到在短路后，電流波形在第5個周期處，已經(jīng)高到40A。而且巨大的di/dt電流變化，在最后一個波形處。有25A左右的電流流過體二極管，然后又有40A的電流流過溝道，在2us內(nèi)，流過管子的電流高到50A，到這里，管子基本就處于可能因?yàn)檫^電流太大而損壞了。

（圖三 短路測試時，MOS的失效電流）

可以從波形上看到，因?yàn)轶w二極管流過電流也有20A左右的電流峰值，只是抓圖是紫色和黑色背景對比起來看的不太清楚。我后面使用了ST的 26NM60N這個管子它的體二極管性能在實(shí)際測試中相對不錯，下面是體二極管的資料。

我使用英飛凌的IPP5R028的管子，在短路測試中總是會失效，而使用ST的26NM60N就會更扛得住一些，現(xiàn)在我要對比一下兩個管子的一些資料。這個管子導(dǎo)通阻抗只有199m歐，雖然和26NM60N的導(dǎo)通阻抗差不多，但是它并不太適合用在LLC上。特別是脈沖電流峰值，允許的值比較小。ID在25°時只有17A，脈沖電流峰值只有40A。

體二極管的性能：

這個管子只能扛到40A，雖然反向恢復(fù)時間都在340ns，而且Qrr和恢復(fù)電流峰值都要小于26NM60N，但是因?yàn)槭荂oolmos可能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的問題晶圓體積小，這個管子不太適合做LLC這樣的應(yīng)用。因?yàn)槎搪冯娏骱艽髸r，這個管子可能會頂不住。

看SOA區(qū)域的對比，就可以看到26NM60N比這個管子強(qiáng)壯的多，這也解釋了為什么在短路測試時這個管子會很容易掛的原因。

下圖是ST 26NM60N的SOA資料，可以看出僅僅從抗脈沖電流上就能解釋炸雞的原因。

第二部分 控制IC要在短路時，能更快的拉升開關(guān)頻率。

上圖是控制IC在過流保護(hù)時的控制邏輯圖，當(dāng)CS的電壓高于0.8V，SS引腳內(nèi)部會導(dǎo)通一個電阻，讓SS引腳以固定的電流接地流入GND。通常在Freq引腳上引一個電阻到SS引腳，也就是當(dāng)CS電壓高于0.8V后。SS開始以一個電流拉Freq，此時流出FREQ引腳的電流加大，則開關(guān)頻率快速提升。CS到電壓了0.9V，就以更快的電流放電。使開關(guān)頻率提升的更快，此時電源會處于打嗝重啟的狀態(tài)。直到VCS的電壓低于0.75V，則工作正常。 為了防止變壓器飽和炸管，VCS電壓高于1.6V，IC會鎖機(jī)，重啟VCC電壓才會解除故障。

在這個項(xiàng)目上，原邊使用的過流保護(hù)原理圖如上圖所示。主要是感測諧振電容上的電壓，在短路時諧振電容電壓會提升的非常快，只要CS電壓高于0.8V，就開始拉升頻率，加大阻抗。 為了避免高于1.6V IC鎖機(jī)，我們使用了最快響應(yīng)速度的TVS鉗位VCS上的電壓，只能讓它在1.6V以下，不能高于1.6V，否則鎖機(jī)，客戶又不接受了。

在副邊，我們使用恒流環(huán)做輸出電流檢測，高于某個設(shè)定值后進(jìn)入恒流狀態(tài)。會將開關(guān)頻率拉升到250KHZ，足以避開短路時的危險(xiǎn)頻率。從響應(yīng)速度快慢的角度考慮，恒流環(huán)的響應(yīng)速度比電壓環(huán)要慢很多，所以在短路時，看到的頻率變化是：先下降，然后頻率開始提升。這說明恒壓環(huán)先開始動作，恒壓環(huán)動作后開關(guān)頻率會向最低頻率下降，所以為了保證短路時頻率拉升的足夠快，最低開關(guān)頻率的設(shè)定，一定不能太低，否則要穿越諧振頻率，電流會更大。

我到這里應(yīng)該考慮到，臧工提示我需要考慮到最低開關(guān)頻率設(shè)置，最好低于工作頻率20KHZ即可。最低開關(guān)頻率太低了不太好。而且也提出了關(guān)于諧振頻率的選擇問題，他認(rèn)為：LLC變換器最好是工作在諧振頻率，或者稍微高于諧振頻率。這樣從短路保護(hù)的角度來講，非常有好處。當(dāng)工作時短路，恒壓環(huán)會把頻率稍微下降，然后頻率開始提升。因此，如果頻率在諧振頻率之上，那么開關(guān)頻率下降的就不會很低，至少把頻率拉升起來的速度會更快。這樣也對短路時，流過管子的電流有了一定的限制。

我有一個測試，我之前從FREQ到SS引腳的電阻是5.6K，在短路保護(hù)時，頻率拉升起來的速度稍微有些慢。電流峰值是在38A上，為了降低短路時候流過管子的電流，我的想法是，在短路時SS拉FREQ的電流更大，讓開關(guān)頻率提升的速度更加的快，把這個電阻下降到2.4K后，短路時開關(guān)頻率已經(jīng)提升到了300KHZ，電流峰值也下降到了30~33A，這個就稍微控制住了一點(diǎn)點(diǎn)電流。

（頻率 有錯誤 ，電流峰值 36A）

將FREQ到SS引腳的電阻從5.6K下降到2.4K后，短路時的測試:

（頻率 119KHZ ，電流峰值 15A 。 此時短路保護(hù)還未響應(yīng)，頻率之所以比正常工作的126K低，是因?yàn)楹銐涵h(huán)動作了。）

（頻率 128KHZ ，電流峰值21A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率開始拉升）

（頻率 133KHZ ，電流峰值30.5A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率正在快速的拉升）

（頻率 142KHZ ，電流峰值30.5A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率正在快速的拉升）

（頻率 151KHZ ，電流峰值30.5A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率正在快速的拉升）

（頻率 169KHZ ，電流峰值18A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率正在快速的拉升，短路電流已經(jīng)得以控制）

（頻率 181KHZ ，電流峰值10A 。 此時短路保護(hù)已經(jīng)開始響應(yīng)，頻率正在快速的拉升，短路電流已經(jīng)得以控制）

從短路發(fā)生到電流受到控制?；?個周期，約50us。電流最大值為33.6A，屬于26NM60N的可靠工作區(qū)域，短路不會發(fā)生問題。但是LLC的短路測試并不是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)，即使在理論上認(rèn)為SOA問題不大，但是也要經(jīng)過10秒一次短路，至少測試5000次確保不會炸雞。這樣可以認(rèn)為，短路是可靠的，能受到控制的。

第三部分 短路測試時諧振電感飽和的問題

在我使用EEL19/27的諧振電感做短路測試時，流過電感的電流會達(dá)到70A。即使開關(guān)頻率已經(jīng)在快速的拉升，但是電流依然會在5個周期內(nèi)彪到70A之高。我有一次摸到諧振電感在反復(fù)短路測試時，溫度非常高。但是沒有想到是電感飽和的問題，經(jīng)過同事唐公子點(diǎn)撥，是否因?yàn)橹C振電感飽和的問題引起。即使你IC在努力地提升頻率，但是電感飽和了，它不再具有電感的特性。你LLC的短路保護(hù)，是要提升頻率將電感的感抗快速加大，阻礙流過的電流。但是如果電感飽和了，電感將不會繼續(xù)對電流起到阻抗作用。因此在設(shè)計(jì)諧振電感時，要嚴(yán)格考慮短路時諧振電感飽和的問題。針對EEL19/27的的電感器設(shè)計(jì)，需要考慮在30A的電流下，峰值Bmax不高于0.33T。嚴(yán)格控制匝數(shù)，防止變壓器飽和。