尋根究底：PFC電路旁路二極管作用及MOSFET常見失效模式

劉松 劉瞻 盧森茂 艾結(jié)華

 

中大功率的ACDC電源都會(huì)采用有源功率因數(shù)校正PFC電路來提高其功率因數(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)旁路二級(jí)管D2，如圖1所示。旁路二級(jí)管D2的作用，不同的資料，不同的工程師，都有不同的解釋，下面逐一分析說明。

圖1：PFC電路

 

1、減少PFC的二極管D1的浪涌電流，因?yàn)镈1是快速恢復(fù)二極管，抗浪涌電流的能力比較差。

這種解釋似乎有一點(diǎn)道理，D1是快速恢復(fù)二極管，承受浪涌電流的能力較弱，D2是普通的二極管，承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，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。

2、提高系統(tǒng)通過雷擊測試的能力。

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)不容易通過雷擊測試，那么，這說明，加旁路二級(jí)管D2，的確有提高系統(tǒng)通過雷擊測試的作用。

系統(tǒng)在雷擊測試的過程中，產(chǎn)生的能量通過浪涌電流的形式，經(jīng)過旁路二級(jí)管D2，存儲(chǔ)到大的輸出電容。如果沒有旁路二級(jí)管D2，那么這些浪涌電流就要流過PFC電感，從而有可能導(dǎo)致PFC電感飽和。

PFC電感飽和時(shí)，功率MOSFET開通，特別是在輸入正弦波的值峰點(diǎn)附近，就會(huì)產(chǎn)生非常大的峰值電流，因?yàn)榭刂艻C的電流檢測通常有一定的延時(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^流而損壞。

 

3、減少開機(jī)瞬間PFC電感和功率MOSFET的峰值電流，防止PFC電感飽和，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)輸出大電容充電過程中PFC電感有可能會(huì)出現(xiàn)飽和，如果此時(shí)PFC電路工作，流過功率MOSFET的電流非常大，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PFC電感和功率MOSFET的峰值電流，但是，如果沒有旁路二極管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。

那么原因到底是什么呢？

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)行老化測試、輸入掉電測試以及輸入AC電源插拔的過程中。

在上述條件下，輸入電壓瞬態(tài)的降到較低值或0V，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，只要VCC高于PFC控制IC的VCC的UVLO，那么PFC控制IC仍然在工作。

圖2：PFC控制IC的VCC的UVLO電壓

 

圖3：輸入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沒有軟起動(dòng)過程直接工作，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PFC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。

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，沒有直接連接到功率MOSFET的源極S，功率MOSFET的VGS實(shí)際電壓為：

VGS=VCC-VDRH-VRS

  

其中，VDRH為PFC控制IC內(nèi)部圖騰柱上管的導(dǎo)通壓降。

圖4：PFC的電流取樣電路

 

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。

 

系統(tǒng)環(huán)境的溫度升高時(shí)，VDRH導(dǎo)通壓降會(huì)增加，VGS電壓也會(huì)進(jìn)一步降低，增加功率MOSFET進(jìn)入線性區(qū)工作風(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5：輸入AC掉電重起動(dòng)的波形

圖5的波形可以看到，功率MOSFET開通后，VDS電壓沒有降到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。

圖6：PFC功率MOSFET線性區(qū)失效圖（AOS松江FA團(tuán)隊(duì)提供）

 

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)過程中，PIC控制IC的VCC大于UVLO，在沒有軟起動(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。

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。

 

如何防止功率MOSFET發(fā)生大電流的沖擊損壞，以及線性區(qū)工作損壞？

(1) 加旁路二級(jí)管D2

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

(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) 校核PFC電感的飽和電流

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過流保護(hù)就起不到真正的作用。

(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IDUVLO，保證IDUVLO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)高壓功率MOSFET的飽和電流通常比較低，而且，隨結(jié)溫的增大，其飽和電流降低，功率MOSFET飽和電流如圖7所示。

(a) 高壓MOSFET的導(dǎo)通區(qū)特性 

(b) 高壓MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

(c) 高壓MOSFET的柵極電荷特性 

圖7：功率MOSFET飽和電流

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7曲線非常詳細(xì)的給出功率MOSFET的飽和電流，特別是圖7(b)的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IDUVLO > 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)過程中，為什么功率MOSFET沒有進(jìn)入線性區(qū)工作？因?yàn)?，在系統(tǒng)起動(dòng)過程中，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。