PFC电路MOS管应用电路振荡问题分析

引言

场效应管MOSFET是开关电源中核心的器件之一，MOSFET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，MOS管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，通过具体的案例分析了因MOS振荡引起损坏的各种原因。

图1 PFC电路原理图

1   PFC电路工作原理

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MOS管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。

图2 PFC MOS驱动波形

2   MOS管振荡原理分析

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。

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。

图4(a) PFC MOS仿真参数图

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。

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。  

图6(a) 改善前PFC驱动波形（绿色）

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.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年8月期）