PFC電路MOS管應(yīng)用電路振蕩問題分析

引言

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET是開關(guān)電源中核心的器件之一，MOSFET因?qū)▋?nèi)阻低、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源的各種拓?fù)浼軜?gòu)中，也是影響電源可靠性的重要器件。因此，MOS管的應(yīng)用及匹配在開關(guān)電源中就顯得尤為重要。

本文介紹了傳統(tǒng)PFC電路MOS管在應(yīng)用過程中產(chǎn)生振蕩的機(jī)理，通過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(shù)校正)主要是對(duì)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(shù)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(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。 開關(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(shù)。目前的PFC有2種，被動(dòng)式PFC（也稱無源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱有源式PFC）。通常采用主動(dòng)式PFC電路提高開關(guān)電源功率因數(shù)，如圖1所示。

在上述電路中，PFC電感L1在MOS管Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管Q1截止時(shí)，電感L1上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過升壓二極管D2對(duì)大濾波電容C3充電，輸出能量，只不過其輸入的電壓是沒有經(jīng)過濾波的脈動(dòng)電壓。特別地，PFC電感L1上都并聯(lián)著1個(gè)二極管D1，該二極管D1一方面降低對(duì)PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，另一方面保護(hù)PFC開關(guān)管。通過此電路，從而實(shí)現(xiàn)輸入電壓和電流波形的同相位，大大提高對(duì)電能的利用效率。

圖2 PFC MOS驅(qū)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(duì)普通的MOS管應(yīng)用而言，在開關(guān)機(jī)及正常使用過程中，不會(huì)出現(xiàn)異常。但是當(dāng)MOS管寄生參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，且在快速開關(guān)機(jī)過程中，就會(huì)出現(xiàn)明顯的驅(qū)動(dòng)波形振蕩（如圖2），嚴(yán)重時(shí)引起MOS管的損壞。

通過對(duì)PFC MOS管進(jìn)行測(cè)試和深入分析發(fā)現(xiàn)，MOS管的寄生參數(shù)對(duì)振蕩起著關(guān)鍵作用。通過電路實(shí)驗(yàn)?zāi)M和仿真，證實(shí)了這一現(xiàn)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)和引腳長度決定，它們是真實(shí)存在的。當(dāng)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(yàn)，采用Cds(ext) 470 pF來說明，MOS管導(dǎo)通電阻為Rdson。在開機(jī)過程中，參與的回路說明如下：

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

2)在米勒平臺(tái)期間，Cds、Cds(ext)及Cgd放電，放電能量?jī)?chǔ)存在Ld、Ls和Lg中，放電回路分別為：

①Cds通過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(chǔ)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(chǔ)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(fù)開關(guān)機(jī)過程中，引起驅(qū)動(dòng)波形的振蕩，嚴(yán)重時(shí)，引起開關(guān)MOS的損壞。

通過仿真電路，也可模擬出類似的波形，其仿真結(jié)果如圖4。

圖4(a) PFC MOS仿真參數(shù)圖

圖4(b) PFC MOS仿真波形

3   MOS管振蕩問題解決措施及效果確認(rèn)

針對(duì)PFC MOS在使用過程中振蕩引起的損壞問題，結(jié)合上述MOS管振蕩機(jī)理的分析，在實(shí)際使用中，采取的對(duì)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(fù)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(xiàn)為高頻阻抗特性，用于抑制快速開關(guān)機(jī)時(shí)MOS引起的串聯(lián)諧振。

3)為了解決因PFC MOS引起的EMC問題，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(nèi)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(cè)試波形可以看出，采用上述措施后，在快速開關(guān)機(jī)時(shí)，MOS管柵極波形消除了瞬態(tài)尖峰，從而保證MOS管快速開關(guān)機(jī)時(shí)的應(yīng)力要求，避免因振蕩造成的損壞問題。  

圖6(a) 改善前PFC驅(qū)動(dòng)波形（綠色）

圖6(b) 改善后PFC驅(qū)動(dòng)波形（綠色）

4   結(jié)語

本文針對(duì)MOS管寄生參數(shù)引起振蕩造成損壞問題，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)和長短引起的寄生電感，并通過實(shí)際的案例進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了寄生電感的存在。通過增加切實(shí)有效的對(duì)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(shè)計(jì)參考意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）