功率因素校正电路旁路二极管的作用

作者简介：刘松，男，湖北武汉人, 硕士，现任职于万国半导体元件有限公司应用中心总监，主要从事开关电源系统、电力电子系统和模拟电路的应用研究和开发工作。获广东省科技进步二等奖一项，发表技术论文60多篇。songliu@aosmd.com。

0   引言

中大功率的ACDC 电源都会采用有源功率因数校正PFC 电路来提高其功率因数，减少对电网的干扰。在PFC 电路中，常用的结构是boost 升压电路，在实际的使用中，通常会加一个旁路二极管，连接在整流桥的输出端和高压直流输出端之间。关于旁路二极管的作用，众说纷纭，不同的资料，不同的工程师，都有不同的解释，下面来逐个分析说明。

1   常见的增加旁路二极管作用的几种理由

1.1 减少PFC输出二极管D1的浪涌电流

功率因数校正电路所加的旁路二极管如图1 中的D2 所示，因为D1 是快速恢复二极管，抗浪涌电流的能力比较差，D2 是普通的二极管，承受浪涌电流的能力很强，这种解释似乎有一点道理，但是，在实际应用中，如果不加旁路二极管D2，D1 也很少因为浪涌电流发生损坏，因为输出二极管D1 和PFC 电感串联，PFC电感较大，电感固有的特性就是其电流不能突变，PFC电感对输入的浪涌电流具有限流作用，因此，旁路二极管D2 的最主要作用不是为了保护输出二极管D1。

1.2 提高系统通过雷击测试的能力

在实际的应用中，会经常发现：相对而言，如果不加旁路二极管D2，系统不容易通过雷击测试，那么，这说明，加旁路二极管D2，的确有提高系统通过雷击测试的作用。另外，由于这个防雷回路阻抗非常低，必须用电流非常大的二极管，否则D2 也会发生损坏。

图1 PFC基本电路原理图

系统在雷击测试的过程中，产生的能量通过浪涌电流的形式，经过旁路二极管D2，存储到大的输出电容。如果没有旁路二极管D2，那么这些浪涌电流就要流过PFC 电感，从而有可能导致PFC 电感饱和。PFC 电感饱和，功率MOSFET 开通时，特别是在输入正弦波的峰值点附近开通，就会产生非常大的峰值电流，因为控制IC 的电流检测通常有一定的延时，PFC 电感饱和时，产生的di/dt 非常大，即使是电流检测的延时时间非常小，也会导致非常大的峰值电流，导致功率MOSFET 因为过流而损坏。

1.3 减少开机瞬间峰值电流，防止PFC电感饱和而损坏功率MOSFET

这种解释的理由是：在开机的瞬间，输出大电容的电压尚未建立，由于要对大电容充电，通过PFC 电感的电流相对比较大，在电源开关接通的瞬间，特别是在输入正弦波的峰值附近开通，在对输出大电容充电过程中PFC 电感的瞬间峰值电流非常大，有可能会出现饱和，如果此时PFC 电路工作，流过功率MOSFET 的瞬间峰值也电流大，从而损坏功率MOSFET。

增加旁路二极管D2 后，旁路二极管D2 对输出大电容充电，输出电压建立的比较早，PFC 电感能够很快地进行去磁工作，就可以减小流过PFC 电感的电流，防止PFC 电感饱和，降低功率MOSFET 的峰值电流，避免损坏功率MOSFET。

这种解释的理由并不完全有道理：增加旁路二极管D2，的确可以减小流过PFC 电感和功率MOSFET的峰值电流，但是，如果没有旁路二极管D2，功率MOSFET 开始工作时，即使是在输入正弦波的峰值附近开通功率MOSFET，由于控制IC 都具有软起动功能，功率MOSFET的占空比一开始不是工作在最大的状态，而是从最小值慢慢地增加，PFC 的过电流保护电路OCP也限制功率MOSFET 工作的最大峰值电流。

软起动通常在输出电压正常后才结束，输出电压在软起动时间没有结束的时候，已经高于输入电压，在PFC 电感和功率MOSFET 达到系统设定的最大工作电流之前，PFC 电感已经进入到去磁工作，PFC 电感很难进入饱和或进入深度的饱和。只要PFC 电感电流不走飞（饱和）或不深度走飞（深度饱和），那么，功率MOSFET 的工作就是安全的。

2   增加输入电感旁路二极管真正的作用

实际应用发现， 不加旁路二极管， 如果功率MOSFET 发生失效，那么，发生失效的条件通常是：输出满负载，系统进行老化测试、输入掉电测试以及输入AC 电源插拔的过程中。

在上述条件下，输入电压瞬态的降到为0，由于输出满载，PFC 输出大电容的电压VBUS 迅速降低到非常低的值，PFC 控制IC 的V_CC 的电容大，V_CC 的电流小，因此，VCC 的掉电速度远远小于VBUS 的掉电速度，V_CC的掉电速度慢，高于PFC 控制IC 的V_CC 的UVLO，那么PFC 控制IC 仍然在工作，如表1 为一款PFC 控制器的供电电压VCC 的特性，列出了UVLO 电压参数。实际工作中，输入交流AC 掉电时，PFC 控制IC 的VCC 电压的工作波形如图2 所示。

当V_CC 的值比UVLO 稍高一点时，输入电源AC 再加电，PFC 控制IC 没有软起动过程直接工作，由于输出电压比较低，特别是在输入正弦波峰值点附近开通功率MOSFET，PFC 电感和功率MOSFET 的工作峰值电流非常大，如果电感的饱和电流裕量不够，或PFC 的电流取样电阻选取得过小时，PFC 电感有可能发生饱和，功率MOSFET 在大电流的冲击下，就有可能发生损坏。

同时，功率MOSFET 的VGS 电压比较低，约等于PIC 控制IC 的VCC 的UVLO 电压，如果功率MOSFET的饱和电流比较低，就有可能会进入线性区工作，更容易导致功率MOSFET 线性区工作而损坏。^[1-2]另外，如果电流取样电阻RS 在功率MOSFET 的驱动回路中，就是PFC 控制IC 的地，没有直接连接到功率MOSFET 的源极S，如图3 所示，功率MOSFET 的V_GS 实际电压为：

V_GS=V_DR-V_RS

高峰值电流导致R_S 的压降V_RS 变大， 功率MOSFET 的V_GS 电压会进一步降低，就更容易进入线性区工作。

图3 PFC的电流取样电路

系统环境的温度升高时，PFC 控制IC 内部图腾柱上管的导通压降也会增加，VDR 电压降低，VGS 电压也会进一步降低，增加功率MOSFET 进入线性区风险。在输入正弦波峰值点附近开通功率MOSFET，一定范围内LC 的取值，导致震荡，也会导致率MOSFET进入线性区。

输入交流AC 掉电重起动的波形如图4 所示，可以看到，功率MOSFET 开通后，VDS 电压并没有完全降低到0，而是在比较高的电压下就关断，非常明显的进入到线性区工作。功率MOSFET 线性区失效形态如图5所示。

(a) 重起动波形

(b) 重起动放大波形

(c) 重起动线性区波形

图4 输入交流AC掉电重起动的波形

图5 PFC功率MOSFET线性区失效形态

另外，输入交流AC 从低压跳变到高压时，由于控制环路不能马上响应，占空比不能及时变化，输入正弦波峰值点附近开通功率MOSFET，过高的输入电压导致大的峰值电流，也会导致PFC 电感发生饱和的风险，增加功率MOSFET 进入大的峰值电流条件下线性区工作损坏的可能性。

因此，加旁路二极管D2 最主要的作用是：在输入掉电重起动过程中，PIC 控制IC 的VCC ＞ UVLO，在没有软起动的条件下，降低PFC 电感和功率MOSFET的最大峰值电流，从而防止功率MOSFET 发生大电流的冲击损坏，以及线性区工作损坏；同时，对于输入交流AC 从低压跳变到高压，也起到同样的作用。

同时，PFC 电感饱和电流的裕量不够，在大电流饱和时，功率MOSFET 更容易发生损坏。大电流导致电流取样电阻RS 的电压降增加，温度升高导致PFC 控制IC 内部图腾柱上管的导通压降会增加，都会进一步降低实际VGS 驱动电压，增加功率MOSFET 进入线性区工作损坏的风险。

3   防止功率MOSFET大电流线性区工作损坏的方法

3.1 加旁路二极管D2

输入电源AC 掉电再上电时，通过旁路二极管D2迅速地给输出电压充电，减小功率MOSFET 的最大的导通时间，减小最大的工作峰值电流。当输入交流AC从低压跳变到高压时，也起到同样的作用。

3.2 适当增大PFC的电流取样电阻RS

增大PFC 的电流取样电阻，可以减小最大的工作峰值电流，但是要保证系统能够在全电压的范围内以及满载条件下，能够正常的工作和起动。

3.3 校核PFC电感的饱和电流

设计中要确保：PFC 电感的饱和电流大于电流取样电阻所设定的最大电流值，同时要考虑到电流取样电路的延时，PFC 电感的饱和电流有一定的裕量。实际应用中，很多工程师经常不校核PFC 电感的饱和电流和电流取样电阻所设定的最大电流值的这种关系，导致OCP 过流保护起不到真正的作用。

3.4 校核功率MOSFET的饱和电流

很少有工程师注意到功率MOSFET 的饱和电流这个参数，特别是新一代的超结结构的高压MOSFET 的饱和电流，通常比较低；而且随着结温的增大，其饱和电流降低，如图6 所示。同时，随着VGS 电压增加，到6 V 左右时，其最大的饱和电流不会增加，而且维持一个恒定的值，如果器件选型不正确，很容易发生线性区工作的损坏。^[3-5]

不同的PFC 控制器，VCC 具有不同的UVLO 值，检查所用的PFC 控制器的VCC 的UVLO 值，然后，取V_GS=U_VLO，校核功率MOSFET 的V_GS=U_VLO 的饱和电流ID-UVLO，保证ID-UVLO 这个电流值大于电流取样电阻所设定的最大电流值，同时具有一定的裕量；而且，这个最大电流值是在实际最高工作结温条件下的饱和电流。

图6 超结高压MOSFET的转移特性

PFC 控制器的VCC 的UVLO 值越低，功率MOSFET最高结温的饱和电流越低，在上述的条件下，发生线性区失效的可能性越大。图6 转移特性曲线非常详细地给出功率MOSFET 的饱和电流，特别是图6 中饱和电流和温度曲线，非常重要。

设计的原则是：功率MOSFET 饱和电流I_D-U_VLO>P_FC电感的饱和电流> 取样电阻设定的最大电流。在正常起动过程中，为什么功率MOSFET 没有进入线性区工作？因为，在系统起动过程中，PFC 控制I_C 的V_CC 的开始工作电压高于U_VLO 电压，所以，MOSFET 不容易进入线性区工作。

4   结论

1）功率因素校正电路加旁路二极管最主要的作用是：在输入交流掉电系统重起动过程中，控制IC 的V_CC ＞ U_VLO，在没有软起动的条件下，降低PFC 电感和功率MOSFET 的最大峰值电流，从而防止功率MOSFET 发生大电流的冲击损坏，以及线性区工作损坏。同时，对于输入交流AC 从低压跳变到高压，也起到同样的作用。

2）防止功率MOSFET 发生大电流线冲击、线性区工作损坏的方法主要有：适当增大PFC 的电流取样电阻RS，校核功率MOSFET 饱和电流，电感的饱和电流，并保证功率MOSFET 在PFC 控制IC 的UVLO电压以及最高工作温度时的饱和电流大于电感的饱和电流，电感的饱和电流大于取样电阻设定的最大电流，同时有一定的设计裕量。

参考文献：

[1] 刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响[J].电子技术应用,2010,36(12): 72-74.

[2] 刘松,张龙,王飞,等.开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析[J].,电子技术应用:2013,39(3): 64-66.

[3] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构工作原理[J].今日电子,2013,243(11):30-31.

[4] 刘松.脉冲漏极电流IDM及短路保护[J].今日电子,2018(1):21-23.

[5] 刘松.理解功率MOSFET的电流[J].今日电子,2011(11):35-37.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年3月期）