PFC電路MOS管應用電路振蕩問(wèn)題分析

引言

場(chǎng)效應管MOSFET是開(kāi)關(guān)電源中核心的器件之一，MOSFET因導通內阻低、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源的各種拓撲架構中，也是影響電源可靠性的重要器件。因此，MOS管的應用及匹配在開(kāi)關(guān)電源中就顯得尤為重要。

本文介紹了傳統PFC電路MOS管在應用過(guò)程中產(chǎn)生振蕩的機理，通過(guò)具體的案例分析了因MOS振蕩引起損壞的各種原因。

圖1 PFC電路原理圖

1   PFC電路工作原理

PFC(功率因數校正)主要是對輸入電流波形進(jìn)行控制，使其同步輸入電壓波形。功率因數是指有功功率與視在功率的比值。功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當功率因素值越大，代表其電力利用率越高。 開(kāi)關(guān)電源 是1種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì )造成交換功率的損失，因此需要PFC電路提高功率因數。目前的PFC有2種，被動(dòng)式PFC（也稱(chēng)無(wú)源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱(chēng)有源式PFC）。通常采用主動(dòng)式PFC電路提高開(kāi)關(guān)電源功率因數，如圖1所示。

在上述電路中，PFC電感L1在MOS管Q1導通時(shí)儲存能量，在開(kāi)關(guān)管Q1截止時(shí)，電感L1上感應出右正左負的電壓，將導通時(shí)儲存的能量通過(guò)升壓二極管D2對大濾波電容C3充電，輸出能量，只不過(guò)其輸入的電壓是沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波的脈動(dòng)電壓。特別地，PFC電感L1上都并聯(lián)著(zhù)1個(gè)二極管D1，該二極管D1一方面降低對PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，另一方面保護PFC開(kāi)關(guān)管。通過(guò)此電路，從而實(shí)現輸入電壓和電流波形的同相位，大大提高對電能的利用效率。

圖2 PFC MOS驅動(dòng)波形

2   MOS管振蕩原理分析

一般地，為了改善PFC電路引起的電源EMI（電磁干擾），通常在PFC MOS管的D、S間并聯(lián)1個(gè)高壓電容，容值一般為(47~220）pF,在PFC升壓二極管D2上并聯(lián)1個(gè)高壓電容，一般取值為(47~100) pF。對普通的MOS管應用而言，在開(kāi)關(guān)機及正常使用過(guò)程中，不會(huì )出現異常。但是當MOS管寄生參數發(fā)生變化時(shí)，且在快速開(kāi)關(guān)機過(guò)程中，就會(huì )出現明顯的驅動(dòng)波形振蕩（如圖2），嚴重時(shí)引起MOS管的損壞。

通過(guò)對PFC MOS管進(jìn)行測試和深入分析發(fā)現，MOS管的寄生參數對振蕩起著(zhù)關(guān)鍵作用。通過(guò)電路實(shí)驗模擬和仿真，證實(shí)了這一現象產(chǎn)生的根本原因。圖3為PFC MOS管的等效電路圖。

圖3 為PFC MOS管的等效電路圖

MOS管除了3個(gè)極之間的Cgd、Cds和Cgs寄生電容外，在G極、D極和S極分別串有寄生電感Lg、Ld和Ls，這些寄生電感主要由MOS管的引腳材質(zhì)和引腳長(cháng)度決定，它們是真實(shí)存在的。當為了改善電路的EMI時(shí)，通常在MOS管D、S間并聯(lián)高壓電容，在此為了模擬實(shí)驗，采用Cds(ext) 470 pF來(lái)說(shuō)明，MOS管導通電阻為Rdson。在開(kāi)機過(guò)程中，參與的回路說(shuō)明如下：

1)PFC二極管D2的反向恢復電流通路為：D2經(jīng)Ld和Rdson，再到Ls。

2)在米勒平臺期間，Cds、Cds(ext)及Cgd放電，放電能量?jì)Υ嬖贚d、Ls和Lg中，放電回路分別為：

①Cds通過(guò)Rdson放電，Ld、Ls和Lg不參與諧振；

②Cds(ext) 放電回路分別為：

Cds(ext)→Ld→Rdson→Ls→Cds(ext)，和

Cds(ext)→Ld→Cgd→Cgs→Ls→Cds(ext)，及

Cds(ext)→Ld→Cgd→Lg→PFC IC→Cds(ext)

從上述回路可以看出，放電能量分別儲存在Ld、Ls和Lg中。

③ Cgd放電回路為：

Cgd→Rdson→Cgs→Cgd，和

Cgd→Rdson→Ls→PFC IC→Lg→Cgd

從上述回路可以看出，放電能量分別儲存在Ls和Lg中。

由于上述寄生電容和寄生電感及外接電容Cds(ext)的通路存在，在PFC MOS管反復開(kāi)關(guān)機過(guò)程中，引起驅動(dòng)波形的振蕩，嚴重時(shí)，引起開(kāi)關(guān)MOS的損壞。

通過(guò)仿真電路，也可模擬出類(lèi)似的波形，其仿真結果如圖4。

圖4(a) PFC MOS仿真參數圖

圖4(b) PFC MOS仿真波形

3   MOS管振蕩問(wèn)題解決措施及效果確認

針對PFC MOS在使用過(guò)程中振蕩引起的損壞問(wèn)題，結合上述MOS管振蕩機理的分析，在實(shí)際使用中，采取的對策如下。

1)在PFC升壓二極管上盡量不增加電容，防止因該電容引起二極管反向恢復時(shí)間加大，從而引起MOS管振蕩加劇，造成損壞。

2)在PFC MOS管的漏極（D極）串聯(lián)磁珠，由于磁珠表現為高頻阻抗特性，用于抑制快速開(kāi)關(guān)機時(shí)MOS引起的串聯(lián)諧振。

3)為了解決因PFC MOS引起的EMC問(wèn)題，通常在PFC MOS管的漏-源極（D-S極）間并聯(lián)(47~220) pF的高壓電容，為了避免與MOS內部的寄生電感引起振蕩，盡量不增加此電容。若因EMC必需增加時(shí)，需與MOS管漏極磁珠同時(shí)使用。

具體原理圖如圖5所示。

圖5 改善后的PFC原理圖

從圖6實(shí)際測試波形可以看出，采用上述措施后，在快速開(kāi)關(guān)機時(shí)，MOS管柵極波形消除了瞬態(tài)尖峰，從而保證MOS管快速開(kāi)關(guān)機時(shí)的應力要求，避免因振蕩造成的損壞問(wèn)題。  

圖6(a) 改善前PFC驅動(dòng)波形（綠色）

圖6(b) 改善后PFC驅動(dòng)波形（綠色）

4   結語(yǔ)

本文針對MOS管寄生參數引起振蕩造成損壞問(wèn)題，進(jìn)行了理論分析和電路仿真模擬，得出了MOS管除了寄生電容外，還存在由于MOS引腳材質(zhì)和長(cháng)短引起的寄生電感，并通過(guò)實(shí)際的案例進(jìn)行了驗證，證實(shí)了寄生電感的存在。通過(guò)增加切實(shí)有效的對策，避免了因寄生電容和寄生電感振蕩引起的PFC MOS損壞，具有極大的設計參考意義。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）