摘  要

 

本文總結(jié)了功率因素校正電路PFC電感加旁路二極管作用的幾種不同解釋：減少主二極管的浪涌電流；提高系統(tǒng)抗雷擊的能力；減少開機(jī)瞬間系統(tǒng)的峰值電流，防止電感飽和損壞功率MOSFET。具體分析了輸入交流掉電系統(tǒng)重起動(dòng)，導(dǎo)致功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓降低、其進(jìn)入線性區(qū)而發(fā)生損壞，才是增加旁路二極管最重要、最根本的原因。給出了在這種模式下，功率MOSFET發(fā)生損壞的波形和失效形態(tài)，同時(shí)給出了避免發(fā)生這種損壞的幾個(gè)方法。

 

0 前言

 

中大功率的 ACDC 電源都會(huì)采用有源功率因數(shù)校正PFC 電路 PFC 來(lái)提高其功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的干擾。在 PFC 電路中，常用的結(jié)構(gòu)是 BOOST 電路，在實(shí)際的使用中，通常會(huì)加一個(gè)旁路的二級(jí)管，和輸入的電感并聯(lián)。關(guān)于旁路二級(jí)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，下面來(lái)逐個(gè)分析說(shuō)明。

 

1、增加輸入電感旁路二級(jí)管作用的幾種理由

 

1.1 減少 PFC 的二極管 D1 的浪涌電流

 

功率因數(shù)校正電路所加的旁路二級(jí)管如圖 1 的 D2 所示，因?yàn)镈1是快速恢復(fù)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(qiáng)，這種解釋似乎有一點(diǎn)道理，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，如果不加旁路二級(jí)管 D2，D1 也很少因?yàn)槔擞侩娏靼l(fā)生損壞，因?yàn)檩敵龆O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(duì)輸入的浪涌電流具有限流作用，因此，旁路二級(jí)管 D2 的最主要作用不是為了保護(hù)輸出二極管 D1。

1.2 提高系統(tǒng)通過(guò)雷擊測(cè)試的能力

 

在實(shí)際的應(yīng)用中，會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn) ：相對(duì)而言，如果不加旁路二級(jí)管 D2，系統(tǒng)不容易通過(guò)雷擊測(cè)試，那么，這說(shuō)明，加旁路二級(jí)管 D2，的確有提高系統(tǒng)通過(guò)雷擊測(cè)試的作用。

 

系統(tǒng)在雷擊測(cè)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)旁路二級(jí)管 D2，存儲(chǔ)到大的輸出電容。如果沒(méi)有旁路二級(jí)管 D2，那么這些浪涌電流就要流過(guò) PFC電感，從而有可能導(dǎo)致 PFC 電感飽和 .

 

PFC 電感飽和，功率 MOSFET 開通時(shí)，特別是在輸入正弦波的值峰點(diǎn)附近開通，就會(huì)產(chǎn)生非常大的峰值電流，因?yàn)榭刂?IC 的電流檢測(cè)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(cè)的延時(shí)時(shí)間非常小，也會(huì)導(dǎo)致非常大的峰值電流，導(dǎo)致功率MOSFET 因?yàn)檫^(guò)流而損壞。

 

1.3 減少開機(jī)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 ：在開機(jī)的瞬間，輸出大電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電，通過(guò) PFC 電感的電流相對(duì)比較大，在電源開關(guān)接通的瞬間，特別是在輸入正弦波的峰值附近開通，在對(duì)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(xiàn)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。

 

增加旁路二級(jí)管 D2 后，旁路二級(jí)管 D2 對(duì)輸出大電容充電，輸出電壓建立的比較早，PFC 電感能夠很快的進(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 開始工作時(shí)，即使是在輸入正弦波的峰值附近開通功率 MOSFET，由于控制 IC 都具有軟起動(dòng)功能，功率 MOSFET 的占空比一開始不是工作在最大的狀態(tài)，而是從最小值慢慢的增加， PFC 的過(guò)電流保護(hù)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(jié)束，輸出電壓在軟起動(dòng)時(shí)間沒(méi)有結(jié)束的時(shí)候，已經(jīng)高于輸入電壓，在 PFC電感和功率 MOSFET 達(dá)到系統(tǒng)設(shè)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 電感的電流不走飛（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級(jí)管真正的作用

 

實(shí) 際 應(yīng) 用 發(fā) 現(xiàn)， 不 加 旁 路 二 級(jí) 管， 如 果 功 率MOSFET 發(fā)生失效，那么，發(fā)生失效的條件通常是 ：輸出滿負(fù)載，系統(tǒng)進(jìn)行老化測(cè)試、輸入掉電測(cè)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 VCC 的電容大，VCC 的電流小，因此，VCC 的掉電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 VBUS 的掉電速度，VCC 的掉電速度慢，高于 PFC 控制 IC 的 VCC 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(shù)。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。

 

表 1 ：PFC 控制器的供電電壓參數(shù)

 

圖 2 ：輸入交流 AC 掉電 PFC 控制 IC 的 VCC 電壓

 

當(dāng) VCC 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余量不夠，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)入線性區(qū)工作，更容易導(dǎo)致功率 MOSFET 線性區(qū)工作而損壞。[1][2]

 

如果電流取樣電阻RS 在功率 MOSFET 的驅(qū)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，功率 MOSFET 的 VGS 實(shí)際電壓為 ：

 

 

高峰值電流導(dǎo)致 RS 的壓降 VRS 變大，功率 MOSFET的 VGS 電壓會(huì)進(jìn)一步降低，更容易進(jìn)入線性區(qū)工作。

 

圖 3 ：PFC 的電流取樣電路

 

系統(tǒng)環(huán)境的溫度升高時(shí)，PFC 控制 IC 內(nèi)部圖騰柱上管的導(dǎo)通壓降會(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)入線性區(qū)風(fēng)險(xiǎn)。

 

(a) 重起動(dòng)波形

 

(b) 重起動(dòng)放大波形

 

(c) 重起動(dòng)線性區(qū)波形

圖 4 ：輸入交流 AC 掉電重起動(dòng)的波形

 

如圖 4 所示，從輸入交流 AC 掉電重起動(dòng)的波形，可以看到，功率 MOSFET 開通后，VDS 電壓沒(méi)有降到 0 時(shí)，在比較高的電壓下就關(guān)斷，非常明顯的進(jìn)入到線性區(qū)工作。

 

功率 MOSFET 線性區(qū)失效形態(tài)如圖 5 所示。

 

圖 5 ：PFC 功率 MOSFET 線性區(qū)失效形態(tài)

 

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 大于 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，以及線性區(qū)工作損壞。

 

同時(shí)，PFC 電感飽和電流的余量不夠，在大電流飽和時(shí)，功率 MOSFET 更容易發(fā)生損壞。大電流導(dǎo)致電流取樣電阻 RS 的電壓降增加，溫度升高導(dǎo)致 PFC 控制 IC內(nèi)部圖騰柱上管的導(dǎo)通壓降會(huì)增加，都會(huì)進(jìn)一步降低實(shí)際VGS 驅(qū)動(dòng)電壓，增加功率 MOSFET 進(jìn)入線性區(qū)工作損壞的幾率。

 

3、防止功率 M O S F E T 大電流線性區(qū)工作損壞的方法

 

3.1 加旁路二級(jí)管 D2

 

輸入電源 AC 再加電時(shí)，通過(guò)旁路二級(jí)管 D2 迅速的給輸出電壓充電，減小功率 MOSFET 的最大的導(dǎo)通時(shí)間，減小最大的工作峰值電流。

 

3.2 適當(dāng)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(tǒng)能夠在全電壓的范圍內(nèi)以及滿載條件下，能夠正常的工作和起動(dòng)。

 

3.3 校核 PFC 電感的飽和電流

 

設(shè)計(jì)中要確保 ：PFC 電感的飽和電流大于電流取樣電阻所設(shè)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余量。

 

實(shí)際應(yīng)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(shè)定的最大電流值的這種關(guān)系，OCP 過(guò)流保護(hù)就起不到真正的作用。

 

3.4 校核功率 MOSFET 的飽和電流

 

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，VGS=UVLO，校核功率 MOSFET 的 VGS=UVLO 的飽和電流 ID-VGS=UVLO，保證 ID-VGS=UVLO 大于電流取樣電阻所設(shè)定的最大電流值，同時(shí)具有一定的余量 ；而且，這個(gè)最大電流值是在實(shí)際最高工作結(jié)溫條件下的飽和電流。

 

超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓 MOSFET 的飽和電流通常比較低，隨著結(jié)溫的增大，其飽和電流降低，如圖 6 所示。[3][4][5]

 

圖 6 ：超結(jié)高壓 MOSFET 的 轉(zhuǎn)移特性

 

PFC 控 制 器 的 VCC 的 UVLO 值 越 低， 功 率MOSFET 最高結(jié)溫的飽和電流越低，在上述的條件下，發(fā)生線性區(qū)失效的可能性越大。圖 6 轉(zhuǎn)移特性曲線非常詳細(xì)的給出功率 MOSFET 的飽和電流，特別是圖 6 中飽和電流和溫度曲線，非常重要。

 

設(shè)計(jì)的原則是 ：功率 MOSFET 飽和電流 ID-UVLO >PFC 電感的飽和電流 > 取樣電阻設(shè)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)入線性區(qū)工作？因?yàn)?，在系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中，PFC 控制 IC 的VCC 的開始工作電壓高于 UVLO 電壓，所以，MOSFET不容易進(jìn)入線性區(qū)工作。

 

4、結(jié)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(tǒng)重起動(dòng)過(guò)程中，控制 IC 的 VCC 大于 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，以及線性區(qū)工作損壞。

 

（2）防止功率 MOSFET 發(fā)生大電流線沖擊、線性區(qū)工作損壞的方法主要有 ：適當(dāng)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 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(shè)定的最大電流，同時(shí)有一定的設(shè)計(jì)裕量。