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，被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。通常采用主動式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)通時儲存能量，在開關(guān)管Q1截止時，電感L1上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時儲存的能量通過升壓二極管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(jīng)過濾波的脈動電壓。特別地，PFC電感L1上都并聯(lián)著1個二極管D1，該二極管D1一方面降低對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，大大提高對電能的利用效率。
圖2 PFC MOS驅(qū)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（電磁干擾），通常在PFC MOS管的D、S間并聯(lián)1個高壓電容，容值一般為（47~220）pF，在PFC升壓二極管D2上并聯(lián)1個高壓電容，一般取值為（47~100） pF。對普通的MOS管應(yīng)用而言，在開關(guān)機(jī)及正常使用過程中，不會出現(xiàn)異常。但是當(dāng)MOS管寄生參數(shù)發(fā)生變化時，且在快速開關(guān)機(jī)過程中，就會出現(xiàn)明顯的驅(qū)動波形振蕩（如圖2），嚴(yán)重時引起MOS管的損壞。
通過對PFC MOS管進(jìn)行測試和深入分析發(fā)現(xiàn)，MOS管的寄生參數(shù)對振蕩起著關(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，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）在米勒平臺期間，Cds、Cds（ext）及Cgd放電，放電能量儲存在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)動波形的振蕩，嚴(yán)重時，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，需與MOS管漏極磁珠同時使用。
具體原理圖如圖5所示。
圖5 改善后的PFC原理圖
從圖6實(shí)際測試波形可以看出，采用上述措施后，在快速開關(guān)機(jī)時，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)動波形（綠色）
圖6（b） 改善后PFC驅(qū)動波形（綠色）
4 結(jié)語
本文針對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)計參考意義。
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