(8月)PFC電路MOS管應用電路振蕩問題分析

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引言

場效應管MOSFET是開關電源中核心的器件之一，MOSFET因導通內阻低、開關速度快等優點被廣泛應用於開關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關電源中就顯得尤為重要。

本文介紹了傳統PFC電路MOS管在應用過程中產生振蕩的機理，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(功率因數校正)主要是對輸入電流波形進行控制，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。 開關電源 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，被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。通常採用主動式PFC電路提高開關電源功率因數，如圖1所示。

在上述電路中，PFC電感L1在MOS管Q1導通時儲存能量，在開關管Q1截止時，電感L1上感應出右正左負的電壓，將導通時儲存的能量通過升壓二極體D2對大濾波電容C3充電，輸出能量，只不過其輸入的電壓是沒有經過濾波的脈動電壓。特別地，PFC電感L1上都並聯著1個二極體D1，該二極體D1一方面降低對PFC電感和升壓二極體的浪湧衝擊，另一方面保護PFC開關管。通過此電路，從而實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（電磁幹擾），通常在PFC MOS管的D、S間並聯1個高壓電容，容值一般為(47~220）pF,在PFC升壓二極體D2上並聯1個高壓電容，一般取值為(47~100) pF。對普通的MOS管應用而言，在開關機及正常使用過程中，不會出現異常。但是當MOS管寄生參數發生變化時，且在快速開關機過程中，就會出現明顯的驅動波形振蕩（如圖2），嚴重時引起MOS管的損壞。

通過對PFC MOS管進行測試和深入分析發現，MOS管的寄生參數對振蕩起著關鍵作用。通過電路實驗模擬和仿真，證實了這一現象產生的根本原因。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管的引腳材質和引腳長度決定，它們是真實存在的。當為了改善電路的EMI時，通常在MOS管D、S間並聯高壓電容，在此為了模擬實驗，採用Cds(ext) 470 pF來說明，MOS管導通電阻為Rdson。在開機過程中，參與的迴路說明如下：

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

2)在米勒平臺期間，Cds、Cds(ext)及Cgd放電，放電能量儲存在Ld、Ls和Lg中，放電迴路分別為：

①Cds通過Rdson放電，Ld、Ls和Lg不參與諧振；

②Cds(ext) 放電迴路分別為：

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)

從上述迴路可以看出，放電能量分別儲存在Ld、Ls和Lg中。

③ Cgd放電迴路為：

Cgd→Rdson→Cgs→Cgd，和

Cgd→Rdson→Ls→PFC IC→Lg→Cgd

從上述迴路可以看出，放電能量分別儲存在Ls和Lg中。

由於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管反覆開關機過程中，引起驅動波形的振蕩，嚴重時，引起開關MOS的損壞。

通過仿真電路，也可模擬出類似的波形，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管振蕩問題解決措施及效果確認

針對PFC MOS在使用過程中振蕩引起的損壞問題，結合上述MOS管振蕩機理的分析，在實際使用中，採取的對策如下。

1)在PFC升壓二極體上儘量不增加電容，防止因該電容引起二極體反向恢復時間加大，從而引起MOS管振蕩加劇，造成損壞。

2)在PFC MOS管的漏極（D極）串聯磁珠，由於磁珠表現為高頻阻抗特性，用於抑制快速開關機時MOS引起的串聯諧振。

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）間並聯(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，儘量不增加此電容。若因EMC必需增加時，需與MOS管漏極磁珠同時使用。

具體原理圖如圖5所示。

圖5 改善後的PFC原理圖

從圖6實際測試波形可以看出，採用上述措施後，在快速開關機時，MOS管柵極波形消除了瞬態尖峰，從而保證MOS管快速開關機時的應力要求，避免因振蕩造成的損壞問題。  

圖6(a) 改善前PFC驅動波形（綠色）

圖6(b) 改善後PFC驅動波形（綠色）

4   結語

本文針對MOS管寄生參數引起振蕩造成損壞問題，進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，還存在由於MOS引腳材質和長短引起的寄生電感，並通過實際的案例進行了驗證，證實了寄生電感的存在。通過增加切實有效的對策，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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