Alpha MOS在PFC應用中的注意事項與設計要點(diǎn)

Super-junction類(lèi)型的高壓功率MOSFET具有更低的導通電阻，因此在通信電源，服務(wù)器電源，電源適配器以及臺式電腦電源和照明整流器等應用中得到廣泛的使用。Alpha MOS就是基于Super-junction技術(shù)開(kāi)發(fā)的高壓功率MOSFET，其采用8英寸晶圓，明顯提升了器件性能和可靠性。

本文主要針對Alpha MOS在主動(dòng)功率因素校正電路(PFC)中的設計要點(diǎn)和注意事項給出建議和解決方案。

1.Alpha MOS的工作特性

Alpha MOS的導通電阻x芯片面積(RdsA)性能指標比AOS平面工藝MOSFET高3.5倍，導通電阻x米勒電容(RdsxQgd)性能比平面工藝MOSFET高5.7倍。Alpha MOS是目前super-junction產(chǎn)品中同等級下FOM性能最高的，比同等級排名第二的高速開(kāi)關(guān)型super-junction 產(chǎn)品高出45%(圖1)。

圖1：RdsxQgd和FOM(RdsxQg)的性能對比

由于A(yíng)lpha MOS 具有開(kāi)關(guān)速度快，結電容小的特點(diǎn)，對減少開(kāi)關(guān)損耗，提高效率有很大幫助。但是在設計中需要更謹慎小心。與傳統的MOSFET相比，Alpha MOS需要更仔細的設計驅動(dòng)電路和PCB布線(xiàn)，在并聯(lián)應用中也需要格外注意開(kāi)關(guān)噪聲對驅動(dòng)信號的影響。

Super-junction類(lèi)型的MOSFET由于其特有的空間電荷結構，開(kāi)關(guān)速度比傳統MOSFET快的多。圖2-圖5是600V/20A等級super-junction 產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)特性對比。competitor1為電源類(lèi)產(chǎn)品應用最廣泛的一種super-junction型 MOSFET，competitor2則是另一種高速開(kāi)關(guān)型的super-junction MOSFET。

圖2：門(mén)極驅動(dòng)電荷對比

圖3：漏極電流與門(mén)極驅動(dòng)關(guān)系對比

圖4：漏極電壓與門(mén)極驅動(dòng)關(guān)系對比

圖5：結電容與漏極電壓關(guān)系對比

從對比中可以看出Alpha MOS主要的優(yōu)勢在結電容，同等級的MOSFET結電容越小，在同樣驅動(dòng)條件下開(kāi)關(guān)速度就越快，在硬開(kāi)關(guān)電路中，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。但是過(guò)快的開(kāi)關(guān)速度會(huì )產(chǎn)生很高的dv/dt和di/dt，這對于MOS的工作可靠性是有害的，同時(shí)也是電源系統中噪聲的來(lái)源。

Alpha MOS的Qg很小，對于減少驅動(dòng)損耗是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應用中，Qg或者Ciss小的MOSFET，它的驅動(dòng)信號更容易受主功率回路的干擾，特別在高壓應用中這個(gè)問(wèn)題十分突出。如果對開(kāi)關(guān)速度不加限制，過(guò)高的dv/dt 很容易耦合到驅動(dòng)回路中，造成驅動(dòng)信號紊亂，甚至導致MOS燒毀。

在大功率應用中，MOS的并聯(lián)往往是常用的手段。但是對于像Alpha MOS這樣的高速開(kāi)關(guān)器件，并聯(lián)需要格外注意。開(kāi)關(guān)速度越快的MOS，并聯(lián)時(shí)越容易導致工作不平衡，驅動(dòng)參數選擇不當甚至會(huì )導致額外的干擾。

可以看出，Alpha MOS雖然性能優(yōu)異但是對設計使用的要求也比較高。它并非如傳統的開(kāi)關(guān)器件可以“拿來(lái)就用”。選擇合適的拓撲，仔細調節驅動(dòng)參數，合理規劃PCB布局，都有助于增加電路的穩定性，避免不必要的重復勞動(dòng)。

2．Alpha MOS驅動(dòng)電路設計

PFC是電源拓撲中對MOS要求比較高的拓撲之一，這是因為：（1）PFC有比較寬的輸入電壓范圍?，F代電源大都要求在90-264V的全范圍交流電壓下工作，這意味著(zhù)MOS既要有足夠的耐壓等級又要能承受較大電流；（2）PFC的控制環(huán)路速度比較慢，為了平滑100Hz/120Hz的交流整流紋波，PFC反應時(shí)間必須達到數十ms。如果控制電路和IC沒(méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化，啟動(dòng)過(guò)程往往會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊電流，沖擊電流可達正常工作時(shí)的5-10倍；（3）在缺乏欠壓保護的PFC中，當交流電壓降到低于90V很多時(shí)，電路仍有可能繼續工作，這也會(huì )產(chǎn)生很高的開(kāi)關(guān)峰值電流，導致干擾和應力超出正常范圍。圖6為典型的PFC電路，圖7為PFC啟動(dòng)時(shí)，MOSFET漏極的沖擊電流示意圖。

圖6：典型的PFC電路

圖7：PFC啟動(dòng)，MOSFET漏極的沖擊電流

MOSFET的驅動(dòng)電路已經(jīng)有很多成熟的方案。在實(shí)際應用中，出于成本考慮，很多驅動(dòng)電路都采用比較簡(jiǎn)單的芯片直驅方案。但是在大功率和性能要求比較高的應用中，驅動(dòng)電路的設計對MOSFET的可靠性和系統的性能仍有很大影響。

圖8:MOSFET兩種基本驅動(dòng)電路結構

在圖8中是最常見(jiàn)的MOSFET驅動(dòng)電路，R1，R2是Rg，左圖R1+R2是驅動(dòng)電壓上升時(shí)的充電電阻，R1單獨作為放電電阻，右圖R2單獨作為充電電阻，R1和R2并聯(lián)作為放電電阻。R3是驅動(dòng)自放電電阻。C1和C2分別是外加的Cds和Cgs電容。

（1）dv/dt的控制策略和注意事項

影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開(kāi)關(guān)時(shí)的電流峰值，以及驅動(dòng)電路的Rg等。由于A(yíng)lpha MOS的Ciss特別小，適當的增大Cgs也是有效改善dv/dt的方法。

雖然MOSFET本身可承受的dv/dt和di/dt很高，但是根據經(jīng)驗數據表明，通過(guò)改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過(guò)20V/ns，對應的di/dt不超過(guò)200A/ns，在實(shí)際電路中能有較好的工作狀態(tài)。在效率允許的情況下，dv/dt小于10V/ns，di/dt小于100A/ns更有利于可靠性，如圖9和圖10所示。

PFC應用中存在寬輸入電壓范圍，輸入電壓跳變，以及響應時(shí)間慢等特點(diǎn)，容易出現比較大的沖擊電流。在這種應用中需要特別注意控制峰值電流，同樣的驅動(dòng)參數下，峰值電流越大，開(kāi)關(guān)的dv/dt和di/dt越大。要根據實(shí)際應用中的最大峰值電流來(lái)調整驅動(dòng)參數。在設計中，要監測最大沖擊電流下的開(kāi)關(guān)波形，以確定是否需要調整驅動(dòng)參數，使MOSFET工作在較好的狀態(tài)。

通過(guò)漏源極增加額外的電容也可以比較容易地減小dv/dt。在正激有源拑位，橋式軟開(kāi)關(guān)，諧振類(lèi)電路中，合適的漏源極電容有助于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。而在PFC和反激類(lèi)電路中則需要小心處理，要和效率進(jìn)行適當的平衡。在效率允許的范圍內，通過(guò)增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。

圖9：MOSFET關(guān)斷dv/dt與放電電阻關(guān)系

圖10：MOSFET關(guān)斷dv/dt與Cgs關(guān)系

（2）減少通過(guò)Cgd耦合對驅動(dòng)的干擾

由于A(yíng)lpha MOS的高速開(kāi)關(guān)特性，以及極低的Ciss和Crss，Alpha MOS更容易受layout不良而導致驅動(dòng)受到干擾。這種干擾往往是由于高頻高壓的走線(xiàn)和驅動(dòng)走線(xiàn)靠的太近。使得漏極的高dv/dt信號通過(guò)耦合放大的Cgd進(jìn)入驅動(dòng)信號。如圖11和圖12所示。

圖11：PFC MOSFET驅動(dòng)被干擾

圖12：PFC MOSFET驅動(dòng)正常

（3）驅動(dòng)端加磁珠

驅動(dòng)端加磁珠是種簡(jiǎn)單合理的方法，可以抑制驅動(dòng)端受干擾產(chǎn)生的尖刺。建議將磁珠放置在盡可能靠近MOS驅動(dòng)端的位置。TO220等插件封裝可以采用套管式磁珠，貼片封裝的MOS可以采用類(lèi)似貼片電阻大小的SMD磁珠。選取磁珠需要查閱其數據手冊，確?？梢酝ㄟ^(guò)至少3A的電流，其峰值抑制頻率應在30-100MHz。通常情況下磁珠并不會(huì )對驅動(dòng)波形產(chǎn)生影響，當MOS上流過(guò)很大電流導致干擾突然增大時(shí)，磁珠才起作用。

（4）合理放置驅動(dòng)元器件的位置

對于有圖騰柱驅動(dòng)或者三極管輔助放電的驅動(dòng)電路，起到輔助和增強作用的電路元件要盡可能靠近MOS。特別是地線(xiàn)，要直接單點(diǎn)與MOS的源級連接，一定要盡量避免在驅動(dòng)的地線(xiàn)回路上有主功率部分的電流通過(guò)，否則，主功率回路中的大電流會(huì )耦合到驅動(dòng)回路中，造成驅動(dòng)的誤開(kāi)通和誤關(guān)