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(8月)PFC电路MOS管应用电路振荡问题分析

—— (创维集团TV产品研究院,深圳 518108)
作者:胡向峰时间:2020-07-24来源:电子产品世界收藏
编者按:本文介绍了传统PFC电路MOS管在应用过程中产生振荡的机理,通过具体的案例详细分析了因MOS振荡引起损坏的原因,并结合实际应用给出具体的解决措施和方案,通过实验及大批量的生产验证表明,措施有效,稳定且可靠,对PFC电路MOS管应用电路及参数匹配具有重要的借鉴和参考意义。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202007/416134.htm

引言

场效应管是开关电源中核心的器件之一,因导通内阻低、开关速度快等优点被广泛应用于开关电源的各种拓扑架构中,也是影响电源可靠性的重要器件。因此,的应用及匹配在开关电源中就显得尤为重要。

本文介绍了传统在应用过程中产生的机理,通过具体的案例分析了因MOS引起损坏的各种原因。

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图1 原理图

1   工作原理

PFC(功率因数校正)主要是对输入电流波形进行控制,使其同步输入电压波形。功率因数是指有功功率与视在功率的比值。功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。 开关电源 是1种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,因此需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有2种,被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。通常采用主动式PFC电路提高开关电源功率因数,如图1所示。

在上述电路中,PFC电感L1在Q1导通时储存能量,在开关管Q1截止时,电感L1上感应出右正左负的电压,将导通时储存的能量通过升压二极管D2对大滤波电容C3充电,输出能量,只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。特别地,PFC电感L1上都并联着1个二极管D1,该二极管D1一方面降低对PFC电感和升压二极管的浪涌冲击,另一方面保护PFC开关管。通过此电路,从而实现输入电压和电流波形的同相位,大大提高对电能的利用效率。

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图2 PFC MOS驱动波形

2   MOS管原理分析

一般地,为了改善PFC电路引起的电源EMI(电磁干扰),通常在PFC MOS管的D、S间并联1个高压电容,容值一般为(47~220)pF,在PFC升压二极管D2上并联1个高压电容,一般取值为(47~100) pF。对普通的MOS管应用而言,在开关机及正常使用过程中,不会出现异常。但是当MOS管寄生参数发生变化时,且在快速开关机过程中,就会出现明显的驱动波形振荡(如图2),严重时引起MOS管的损坏。

通过对PFC MOS管进行测试和深入分析发现,MOS管的寄生参数对振荡起着关键作用。通过电路实验模拟和仿真,证实了这一现象产生的根本原因。图3为PFC MOS管的等效电路图。

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图3 为PFC MOS管的等效电路图

MOS管除了3个极之间的Cgd、Cds和Cgs寄生电容外,在G极、D极和S极分别串有寄生电感Lg、Ld和Ls,这些寄生电感主要由MOS管的引脚材质和引脚长度决定,它们是真实存在的。当为了改善电路的EMI时,通常在MOS管D、S间并联高压电容,在此为了模拟实验,采用Cds(ext) 470 pF来说明,MOS管导通电阻为Rdson。在开机过程中,参与的回路说明如下:

1)PFC二极管D2的反向恢复电流通路为:D2经Ld和Rdson,再到Ls。

2)在米勒平台期间,Cds、Cds(ext)及Cgd放电,放电能量储存在Ld、Ls和Lg中,放电回路分别为:

①Cds通过Rdson放电,Ld、Ls和Lg不参与谐振;

②Cds(ext) 放电回路分别为:

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)

从上述回路可以看出,放电能量分别储存在Ld、Ls和Lg中。

③ Cgd放电回路为:

Cgd→Rdson→Cgs→Cgd,和

Cgd→Rdson→Ls→PFC IC→Lg→Cgd

从上述回路可以看出,放电能量分别储存在Ls和Lg中。

由于上述寄生电容和寄生电感及外接电容Cds(ext)的通路存在,在PFC MOS管反复开关机过程中,引起驱动波形的振荡,严重时,引起开关MOS的损坏。

通过仿真电路,也可模拟出类似的波形,其仿真结果如图4。

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图4(a) PFC MOS仿真参数图

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图4(b) PFC MOS仿真波形

3   MOS管振荡问题解决措施及效果确认

针对PFC MOS在使用过程中振荡引起的损坏问题,结合上述MOS管振荡机理的分析,在实际使用中,采取的对策如下。

1)在PFC升压二极管上尽量不增加电容,防止因该电容引起二极管反向恢复时间加大,从而引起MOS管振荡加剧,造成损坏。

2)在PFC MOS管的漏极(D极)串联磁珠,由于磁珠表现为高频阻抗特性,用于抑制快速开关机时MOS引起的串联谐振。

3)为了解决因PFC MOS引起的EMC问题,通常在PFC MOS管的漏-源极(D-S极)间并联(47~220) pF的高压电容,为了避免与MOS内部的寄生电感引起振荡,尽量不增加此电容。若因EMC必需增加时,需与MOS管漏极磁珠同时使用。

具体原理图如图5所示。

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图5 改善后的PFC原理图

从图6实际测试波形可以看出,采用上述措施后,在快速开关机时,MOS管栅极波形消除了瞬态尖峰,从而保证MOS管快速开关机时的应力要求,避免因振荡造成的损坏问题。  

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图6(a) 改善前PFC驱动波形(绿色)

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图6(b) 改善后PFC驱动波形(绿色)

4   结语

本文针对MOS管寄生参数引起振荡造成损坏问题,进行了理论分析和电路仿真模拟,得出了MOS管除了寄生电容外,还存在由于MOS引脚材质和长短引起的寄生电感,并通过实际的案例进行了验证,证实了寄生电感的存在。通过增加切实有效的对策,避免了因寄生电容和寄生电感振荡引起的PFC MOS损坏,具有极大的设计参考意义。

参考文献:

[1] 钟炎平.电力电子电路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,2004.



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