功率因素校正電路旁路二極管的作用

作者簡(jiǎn)介：劉松，男，湖北武漢人, 碩士，現任職于萬(wàn)國半導體元件有限公司應用中心總監，主要從事開(kāi)關(guān)電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開(kāi)發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎一項，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。songliu@aosmd.com。

0   引言

中大功率的ACDC 電源都會(huì )采用有源功率因數校正PFC 電路來(lái)提高其功率因數，減少對電網(wǎng)的干擾。在PFC 電路中，常用的結構是boost 升壓電路，在實(shí)際的使用中，通常會(huì )加一個(gè)旁路二極管，連接在整流橋的輸出端和高壓直流輸出端之間。關(guān)于旁路二極管的作用，眾說(shuō)紛紜，不同的資料，不同的工程師，都有不同的解釋?zhuān)旅鎭?lái)逐個(gè)分析說(shuō)明。

1   常見(jiàn)的增加旁路二極管作用的幾種理由

1.1 減少PFC輸出二極管D1的浪涌電流

功率因數校正電路所加的旁路二極管如圖1 中的D2 所示，因為D1 是快速恢復二極管，抗浪涌電流的能力比較差，D2 是普通的二極管，承受浪涌電流的能力很強，這種解釋似乎有一點(diǎn)道理，但是，在實(shí)際應用中，如果不加旁路二極管D2，D1 也很少因為浪涌電流發(fā)生損壞，因為輸出二極管D1 和PFC 電感串聯(lián)，PFC電感較大，電感固有的特性就是其電流不能突變，PFC電感對輸入的浪涌電流具有限流作用，因此，旁路二極管D2 的最主要作用不是為了保護輸出二極管D1。

1.2 提高系統通過(guò)雷擊測試的能力

在實(shí)際的應用中，會(huì )經(jīng)常發(fā)現：相對而言，如果不加旁路二極管D2，系統不容易通過(guò)雷擊測試，那么，這說(shuō)明，加旁路二極管D2，的確有提高系統通過(guò)雷擊測試的作用。另外，由于這個(gè)防雷回路阻抗非常低，必須用電流非常大的二極管，否則D2 也會(huì )發(fā)生損壞。

圖1 PFC基本電路原理圖

系統在雷擊測試的過(guò)程中，產(chǎn)生的能量通過(guò)浪涌電流的形式，經(jīng)過(guò)旁路二極管D2，存儲到大的輸出電容。如果沒(méi)有旁路二極管D2，那么這些浪涌電流就要流過(guò)PFC 電感，從而有可能導致PFC 電感飽和。PFC 電感飽和，功率MOSFET 開(kāi)通時(shí)，特別是在輸入正弦波的峰值點(diǎn)附近開(kāi)通，就會(huì )產(chǎn)生非常大的峰值電流，因為控制IC 的電流檢測通常有一定的延時(shí)，PFC 電感飽和時(shí)，產(chǎn)生的di/dt 非常大，即使是電流檢測的延時(shí)時(shí)間非常小，也會(huì )導致非常大的峰值電流，導致功率MOSFET 因為過(guò)流而損壞。

1.3 減少開(kāi)機瞬間峰值電流，防止PFC電感飽和而損壞功率MOSFET

這種解釋的理由是：在開(kāi)機的瞬間，輸出大電容的電壓尚未建立，由于要對大電容充電，通過(guò)PFC 電感的電流相對比較大，在電源開(kāi)關(guān)接通的瞬間，特別是在輸入正弦波的峰值附近開(kāi)通，在對輸出大電容充電過(guò)程中PFC 電感的瞬間峰值電流非常大，有可能會(huì )出現飽和，如果此時(shí)PFC 電路工作，流過(guò)功率MOSFET 的瞬間峰值也電流大，從而損壞功率MOSFET。

增加旁路二極管D2 后，旁路二極管D2 對輸出大電容充電，輸出電壓建立的比較早，PFC 電感能夠很快地進(jìn)行去磁工作，就可以減小流過(guò)PFC 電感的電流，防止PFC 電感飽和，降低功率MOSFET 的峰值電流，避免損壞功率MOSFET。

這種解釋的理由并不完全有道理：增加旁路二極管D2，的確可以減小流過(guò)PFC 電感和功率MOSFET的峰值電流，但是，如果沒(méi)有旁路二極管D2，功率MOSFET 開(kāi)始工作時(shí)，即使是在輸入正弦波的峰值附近開(kāi)通功率MOSFET，由于控制IC 都具有軟起動(dòng)功能，功率MOSFET的占空比一開(kāi)始不是工作在最大的狀態(tài)，而是從最小值慢慢地增加，PFC 的過(guò)電流保護電路OCP也限制功率MOSFET 工作的最大峰值電流。

軟起動(dòng)通常在輸出電壓正常后才結束，輸出電壓在軟起動(dòng)時(shí)間沒(méi)有結束的時(shí)候，已經(jīng)高于輸入電壓，在PFC 電感和功率MOSFET 達到系統設定的最大工作電流之前，PFC 電感已經(jīng)進(jìn)入到去磁工作，PFC 電感很難進(jìn)入飽和或進(jìn)入深度的飽和。只要PFC 電感電流不走飛（飽和）或不深度走飛（深度飽和），那么，功率MOSFET 的工作就是安全的。

2   增加輸入電感旁路二極管真正的作用

實(shí)際應用發(fā)現， 不加旁路二極管， 如果功率MOSFET 發(fā)生失效，那么，發(fā)生失效的條件通常是：輸出滿(mǎn)負載，系統進(jìn)行老化測試、輸入掉電測試以及輸入AC 電源插拔的過(guò)程中。

在上述條件下，輸入電壓瞬態(tài)的降到為0，由于輸出滿(mǎn)載，PFC 輸出大電容的電壓VBUS 迅速降低到非常低的值，PFC 控制IC 的V_CC 的電容大，V_CC 的電流小，因此，VCC 的掉電速度遠遠小于VBUS 的掉電速度，V_CC的掉電速度慢，高于PFC 控制IC 的V_CC 的UVLO，那么PFC 控制IC 仍然在工作，如表1 為一款PFC 控制器的供電電壓VCC 的特性，列出了UVLO 電壓參數。實(shí)際工作中，輸入交流AC 掉電時(shí)，PFC 控制IC 的VCC 電壓的工作波形如圖2 所示。

當V_CC 的值比UVLO 稍高一點(diǎn)時(shí)，輸入電源AC 再加電，PFC 控制IC 沒(méi)有軟起動(dòng)過(guò)程直接工作，由于輸出電壓比較低，特別是在輸入正弦波峰值點(diǎn)附近開(kāi)通功率MOSFET，PFC 電感和功率MOSFET 的工作峰值電流非常大，如果電感的飽和電流裕量不夠，或PFC 的電流取樣電阻選取得過(guò)小時(shí)，PFC 電感有可能發(fā)生飽和，功率MOSFET 在大電流的沖擊下，就有可能發(fā)生損壞。

同時(shí)，功率MOSFET 的VGS 電壓比較低，約等于PIC 控制IC 的VCC 的UVLO 電壓，如果功率MOSFET的飽和電流比較低，就有可能會(huì )進(jìn)入線(xiàn)性區工作，更容易導致功率MOSFET 線(xiàn)性區工作而損壞。^[1-2]另外，如果電流取樣電阻RS 在功率MOSFET 的驅動(dòng)回路中，就是PFC 控制IC 的地，沒(méi)有直接連接到功率MOSFET 的源極S，如圖3 所示，功率MOSFET 的V_GS 實(shí)際電壓為：

V_GS=V_DR-V_RS

高峰值電流導致R_S 的壓降V_RS 變大， 功率MOSFET 的V_GS 電壓會(huì )進(jìn)一步降低，就更容易進(jìn)入線(xiàn)性區工作。

圖3 PFC的電流取樣電路

系統環(huán)境的溫度升高時(shí)，PFC 控制IC 內部圖騰柱上管的導通壓降也會(huì )增加，VDR 電壓降低，VGS 電壓也會(huì )進(jìn)一步降低，增加功率MOSFET 進(jìn)入線(xiàn)性區風(fēng)險。在輸入正弦波峰值點(diǎn)附近開(kāi)通功率MOSFET，一定范圍內LC 的取值，導致震蕩，也會(huì )導致率MOSFET進(jìn)入線(xiàn)性區。

輸入交流AC 掉電重起動(dòng)的波形如圖4 所示，可以看到，功率MOSFET 開(kāi)通后，VDS 電壓并沒(méi)有完全降低到0，而是在比較高的電壓下就關(guān)斷，非常明顯的進(jìn)入到線(xiàn)性區工作。功率MOSFET 線(xiàn)性區失效形態(tài)如圖5所示。

(a) 重起動(dòng)波形

(b) 重起動(dòng)放大波形

(c) 重起動(dòng)線(xiàn)性區波形

圖4 輸入交流AC掉電重起動(dòng)的波形

圖5 PFC功率MOSFET線(xiàn)性區失效形態(tài)

另外，輸入交流AC 從低壓跳變到高壓時(shí)，由于控制環(huán)路不能馬上響應，占空比不能及時(shí)變化，輸入正弦波峰值點(diǎn)附近開(kāi)通功率MOSFET，過(guò)高的輸入電壓導致大的峰值電流，也會(huì )導致PFC 電感發(fā)生飽和的風(fēng)險，增加功率MOSFET 進(jìn)入大的峰值電流條件下線(xiàn)性區工作損壞的可能性。

因此，加旁路二極管D2 最主要的作用是：在輸入掉電重起動(dòng)過(guò)程中，PIC 控制IC 的VCC ＞ UVLO，在沒(méi)有軟起動(dòng)的條件下，降低PFC 電感和功率MOSFET的最大峰值電流，從而防止功率MOSFET 發(fā)生大電流的沖擊損壞，以及線(xiàn)性區工作損壞；同時(shí)，對于輸入交流AC 從低壓跳變到高壓，也起到同樣的作用。

同時(shí)，PFC 電感飽和電流的裕量不夠，在大電流飽和時(shí)，功率MOSFET 更容易發(fā)生損壞。大電流導致電流取樣電阻RS 的電壓降增加，溫度升高導致PFC 控制IC 內部圖騰柱上管的導通壓降會(huì )增加，都會(huì )進(jìn)一步降低實(shí)際VGS 驅動(dòng)電壓，增加功率MOSFET 進(jìn)入線(xiàn)性區工作損壞的風(fēng)險。

3   防止功率MOSFET大電流線(xiàn)性區工作損壞的方法

3.1 加旁路二極管D2

輸入電源AC 掉電再上電時(shí)，通過(guò)旁路二極管D2迅速地給輸出電壓充電，減小功率MOSFET 的最大的導通時(shí)間，減小最大的工作峰值電流。當輸入交流AC從低壓跳變到高壓時(shí)，也起到同樣的作用。

3.2 適當增大PFC的電流取樣電阻RS

增大PFC 的電流取樣電阻，可以減小最大的工作峰值電流，但是要保證系統能夠在全電壓的范圍內以及滿(mǎn)載條件下，能夠正常的工作和起動(dòng)。

3.3 校核PFC電感的飽和電流

設計中要確保：PFC 電感的飽和電流大于電流取樣電阻所設定的最大電流值，同時(shí)要考慮到電流取樣電路的延時(shí)，PFC 電感的飽和電流有一定的裕量。實(shí)際應用中，很多工程師經(jīng)常不校核PFC 電感的飽和電流和電流取樣電阻所設定的最大電流值的這種關(guān)系，導致OCP 過(guò)流保護起不到真正的作用。

3.4 校核功率MOSFET的飽和電流

很少有工程師注意到功率MOSFET 的飽和電流這個(gè)參數，特別是新一代的超結結構的高壓MOSFET 的飽和電流，通常比較低；而且隨著(zhù)結溫的增大，其飽和電流降低，如圖6 所示。同時(shí)，隨著(zhù)VGS 電壓增加，到6 V 左右時(shí)，其最大的飽和電流不會(huì )增加，而且維持一個(gè)恒定的值，如果器件選型不正確，很容易發(fā)生線(xiàn)性區工作的損壞。^[3-5]

不同的PFC 控制器，VCC 具有不同的UVLO 值，檢查所用的PFC 控制器的VCC 的UVLO 值，然后，取V_GS=U_VLO，校核功率MOSFET 的V_GS=U_VLO 的飽和電流ID-UVLO，保證ID-UVLO 這個(gè)電流值大于電流取樣電阻所設定的最大電流值，同時(shí)具有一定的裕量；而且，這個(gè)最大電流值是在實(shí)際最高工作結溫條件下的飽和電流。

圖6 超結高壓MOSFET的轉移特性

PFC 控制器的VCC 的UVLO 值越低，功率MOSFET最高結溫的飽和電流越低，在上述的條件下，發(fā)生線(xiàn)性區失效的可能性越大。圖6 轉移特性曲線(xiàn)非常詳細地給出功率MOSFET 的飽和電流，特別是圖6 中飽和電流和溫度曲線(xiàn)，非常重要。

設計的原則是：功率MOSFET 飽和電流I_D-U_VLO>P_FC電感的飽和電流> 取樣電阻設定的最大電流。在正常起動(dòng)過(guò)程中，為什么功率MOSFET 沒(méi)有進(jìn)入線(xiàn)性區工作？因為，在系統起動(dòng)過(guò)程中，PFC 控制I_C 的V_CC 的開(kāi)始工作電壓高于U_VLO 電壓，所以，MOSFET 不容易進(jìn)入線(xiàn)性區工作。

4   結論

1）功率因素校正電路加旁路二極管最主要的作用是：在輸入交流掉電系統重起動(dòng)過(guò)程中，控制IC 的V_CC ＞ U_VLO，在沒(méi)有軟起動(dòng)的條件下，降低PFC 電感和功率MOSFET 的最大峰值電流，從而防止功率MOSFET 發(fā)生大電流的沖擊損壞，以及線(xiàn)性區工作損壞。同時(shí)，對于輸入交流AC 從低壓跳變到高壓，也起到同樣的作用。

2）防止功率MOSFET 發(fā)生大電流線(xiàn)沖擊、線(xiàn)性區工作損壞的方法主要有：適當增大PFC 的電流取樣電阻RS，校核功率MOSFET 飽和電流，電感的飽和電流，并保證功率MOSFET 在PFC 控制IC 的UVLO電壓以及最高工作溫度時(shí)的飽和電流大于電感的飽和電流，電感的飽和電流大于取樣電阻設定的最大電流，同時(shí)有一定的設計裕量。

參考文獻：

[1] 劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負溫度系數對負載開(kāi)關(guān)設計影響[J].電子技術(shù)應用,2010,36(12): 72-74.

[2] 劉松,張龍,王飛,等.開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析[J].,電子技術(shù)應用:2013,39(3): 64-66.

[3] 劉松.超結型高壓功率MOSFET結構工作原理[J].今日電子,2013,243(11):30-31.

[4] 劉松.脈沖漏極電流IDM及短路保護[J].今日電子,2018(1):21-23.

[5] 劉松.理解功率MOSFET的電流[J].今日電子,2011(11):35-37.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）