摘  要

 

本文總結了功率因素校正電路PFC電感加旁路二極管作用的幾種不同解釋：減少主二極管的浪湧電流
；提高係統抗雷擊的能力


；減少開機瞬間係統的峰值電流，防止電感飽和損壞功率MOSFET。具體分析了輸入交流掉電係統重起動，導致功率MOSFET驅動電壓降低
、其進入線性區而發生損壞，才是增加旁路二極管最重要、最根本的原因。給出了在這種模式下，功率MOSFET發生損壞的波形和失效形態，同時給出了避免發生這種損壞的幾個方法。

 

0 前言

 

中大功率的 ACDC 電源都會采用有源功率因數校正PFC 電路 PFC 來提高其功率因數，減少對電網的幹擾。在 PFC 電路中
，常用的結構是 BOOST 電路，在實際的使用中，通常會加一個旁路的二級管

，和輸入的電感並聯。關於旁路二級管的作用，眾說紛紜
，不同的資料，不同的

工程師
，都有不同的解釋，下麵來逐個分析說明。

 

1、增加輸入電感旁路二級管作用的幾種理由

 

1.1 減少 PFC 的二極管 D1 的浪湧電流

 

功率因數校正電路所加的旁路二級管如圖 1 的 D2 所示，因為D1是快速恢複二極管
，抗浪湧電流的能力比較差，D2 是普通的二極管，承受浪湧電流的能力很強
，這種解釋似乎有一點道理，但是，在實際應用中，如果不加旁路二級管 D2
，D1 也很少因為浪湧電流發生損壞，因為輸出二極管 D1 和 PFC 電感串聯，PFC 電感較大
，電感固有的特性就是其電流不能突變

，PFC 電感對輸入的浪湧電流具有限流作用
，因此，旁路二級管 D2 的最主要作用不是為了保護輸出二極管 D1。

1.2 提高係統通過雷擊測試的能力

 

在實際的應用中，會經常發現 ：相對而言，如果不加旁路二級管 D2，係統不容易通過雷擊測試，那麼
，這說明
，加旁路二級管 D2，的確有提高係統通過雷擊測試的作用。

 

係統在雷擊測試的過程中，產生的能量通過浪湧電流的形式

，經過旁路二級管 D2，存儲到大的輸出電容。如果沒有旁路二級管 D2
，那麼這些浪湧電流就要流過 PFC電感
，從而有可能導致 PFC 電感飽和 .

 

PFC 電感飽和，功率 MOSFET 開通時，特別是在輸入正弦波的值峰點附近開通，就會產生非常大的峰值電流
，因為控製 IC 的電流檢測通常有一定的延時
，PFC 電感飽和時，產生的 di/dt 非常大，即使是電流檢測的延時時間非常小
，也會導致非常大的峰值電流，導致功率MOSFET 因為過流而損壞。

 

1.3 減少開機瞬間峰值電流，防止 PFC 電感飽和而損壞功率 MOSFET

 

這種解釋的理由是 ：在開機的瞬間
，輸出大電容的電壓尚未建立
，由於要對大電容充電，通過 PFC 電感的電流相對比較大，在電源開關接通的瞬間，特別是在輸入正弦波的峰值附近開通，在對輸出大電容充電過程中 PFC電感的瞬間峰值電流非常大，有可能會出現飽和
，如果此時 PFC 電路工作，流過功率 MOSFET 的瞬間峰值也電流大，從而損壞功率 MOSFET。

 

增加旁路二級管 D2 後
，旁路二級管 D2 對輸出大電容充電

，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。

 

這種解釋的理由並不完全有道理 ：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

，即使是在輸入正弦波的峰值附近開通功率 MOSFET，由於控製 IC 都具有軟起動功能，功率 MOSFET 的占空比一開始不是工作在最大的狀態，而是從最小值慢慢的增加， PFC 的過電流保護電路 OCP 也限製功率 MOSFET 工作的最大峰值電流。

 

軟起動通常在輸出電壓正常後才結束，輸出電壓在軟起動時間沒有結束的時候，已經高於輸入電壓，在 PFC電感和功率 MOSFET 達到係統設定的最大工作電流之前
，PFC 電感已經進入到去磁工作
，PFC 電感很難進入飽和或進入深度的飽和。隻要 PFC 電感的電流不走飛（飽和）或不深度走飛（深度飽和），那麼，功率 MOSFET 的工作就是安全的。

 

2、增加輸入電感旁路二級管真正的作用

 

實 際 應 用 發 現， 不 加 旁 路 二 級 管， 如 果 功 率MOSFET 發生失效
，那麼
，發生失效的條件通常是 ：輸出滿負載
，係統進行老化測試、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，輸入電壓瞬態的降到為 0
，由於輸出滿載，PFC 輸出大電容的電壓 VBUS 迅速降低到非常低的值，PFC 控製 IC 的 VCC 的電容大，VCC 的電流小，因此
，VCC 的掉電速度遠遠小於 VBUS 的掉電速度，VCC 的掉電速度慢，高於 PFC 控製 IC 的 VCC 的UVLO，那麼 PFC 控製 IC 仍然在工作，如表 1 為一款PFC 控製器的供電電壓 VCC 的特性，列出了 UVLO 電壓參數。實際工作中

，輸入交流 AC 掉電時，PFC 控製IC 的 VCC 電壓的工作波形如圖 2 所示。

 

表 1 ：PFC 控製器的供電電壓參數

 

圖 2 ：輸入交流 AC 掉電 PFC 控製 IC 的 VCC 電壓

 

當 VCC 的值比 UVLO 稍高一點時
，輸入電源 AC 再加電，PFC 控製 IC 沒有軟起動過程直接工作
，由於輸出電壓比較低，特別是在輸入正弦波峰值點附近開通功率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餘量不夠
，或 PFC 的電流取樣電阻選取得過小時，PFC 電感有可能發生飽和，功率 MOSFET 在大電流的衝擊下，就有可能發生損壞。

 

同時

，功率 MOSFET 的 VGS 電壓比較低
，約等於PIC 控製 IC 的 VCC 的 UVLO 電壓，如果功率 MOSFET的飽和電流比較低，就有可能會進入線性區工作，更容易導致功率 MOSFET 線性區工作而損壞。[1][2]

 

如果電流取樣電阻RS 在功率 MOSFET 的驅動回路中，就是 PFC 控製 IC 的地，沒有直接連接到功率MOSFET 的源極 S，功率 MOSFET 的 VGS 實際電壓為 ：

 

 

高峰值電流導致 RS 的壓降 VRS 變大，功率 MOSFET的 VGS 電壓會進一步降低，更容易進入線性區工作。

 

圖 3 ：PFC 的電流取樣電路

 

係統環境的溫度升高時，PFC 控製 IC 內部圖騰柱上管的導通壓降會增加
，VDR 電壓降低，VGS 電壓也會進一步降低，增加功率 MOSFET 進入線性區風險。

 

(a) 重起動波形

 

(b) 重起動放大波形

 

(c) 重起動線性區波形

圖 4 ：輸入交流 AC 掉電重起動的波形

 

如圖 4 所示
，從輸入交流 AC 掉電重起動的波形，可以看到，功率 MOSFET 開通後
，VDS 電壓沒有降到 0 時

，在比較高的電壓下就關斷，非常明顯的進入到線性區工作。

 

功率 MOSFET 線性區失效形態如圖 5 所示。

 

圖 5 ：PFC 功率 MOSFET 線性區失效形態

 

因此
，加旁路二極管 D2 最主要的作用是 ：在輸入掉電重起動過程中

，PIC 控製 IC 的 VCC 大於 UVLO，在沒有軟起動的條件下
，降低 PFC 電感和功率 MOSFET的最大峰值電流
，從而防止功率 MOSFET 發生大電流的衝擊損壞，以及線性區工作損壞。

 

同時，PFC 電感飽和電流的餘量不夠
，在大電流飽和時，功率 MOSFET 更容易發生損壞。大電流導致電流取樣電阻 RS 的電壓降增加
，溫度升高導致 PFC 控製 IC內部圖騰柱上管的導通壓降會增加
，都會進一步降低實際VGS 驅動電壓，增加功率 MOSFET 進入線性區工作損壞的幾率。

 

3、防止功率 M O S F E T 大電流線性區工作損壞的方法

 

3.1 加旁路二級管 D2

 

輸入電源 AC 再加電時，通過旁路二級管 D2 迅速的給輸出電壓充電，減小功率 MOSFET 的最大的導通時間
，減小最大的工作峰值電流。

 

3.2 適當增大 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
，但是要保證係統能夠在全電壓的範圍內以及滿載條件下，能夠正常的工作和起動。

 

3.3 校核 PFC 電感的飽和電流

 

設計中要確保 ：PFC 電感的飽和電流大於電流取樣電阻所設定的最大電流值

，同時要考慮到電流取樣電路的延時
，PFC 電感的飽和電流有一定的餘量。

 

實際應用中，很多工程師經常不校核 PFC 電感的飽和電流和電流取樣電阻所設定的最大電流值的這種關係，OCP 過流保護就起不到真正的作用。

 

3.4 校核功率 MOSFET 的飽和電流

 

不同的 PFC 控製器

，VCC 具有不同的 UVLO 值，檢 查 所 用 的 PFC 控 製 器 的 VCC 的 UVLO 值， 然 後，VGS=UVLO，校核功率 MOSFET 的 VGS=UVLO 的飽和電流 ID-VGS=UVLO，保證 ID-VGS=UVLO 大於電流取樣電阻所設定的最大電流值
，同時具有一定的餘量 ；而且

，這個最大電流值是在實際最高工作結溫條件下的飽和電流。

 

超結結構的高壓 MOSFET 的飽和電流通常比較低，隨著結溫的增大，其飽和電流降低，如圖 6 所示。[3][4][5]

 

圖 6 ：超結高壓 MOSFET 的 轉移特性

 

PFC 控 製 器 的 VCC 的 UVLO 值 越 低， 功 率MOSFET 最高結溫的飽和電流越低，在上述的條件下

，發生線性區失效的可能性越大。圖 6 轉移特性曲線非常詳細的給出功率 MOSFET 的飽和電流
，特別是圖 6 中飽和電流和溫度曲線，非常重要。

 

設計的原則是 ：功率 MOSFET 飽和電流 ID-UVLO >PFC 電感的飽和電流 > 取樣電阻設定的最大電流。在正常起動過程中，為什麼功率 MOSFET 沒有進入線性區工作
？因為

，在係統起動過程中
，PFC 控製 IC 的VCC 的開始工作電壓高於 UVLO 電壓，所以
，MOSFET不容易進入線性區工作。

 

4、結論

 

（1）功率因素校正電路加旁路二極管最主要的作用是：在輸入交流掉電係統重起動過程中
，控製 IC 的 VCC 大於 UVLO，在沒有軟起動的條件下，降低 PFC 電感和功率 MOSFET 的最大峰值電流，從而防止功率 MOSFET發生大電流的衝擊損壞，以及線性區工作損壞。

 

（2）防止功率 MOSFET 發生大電流線衝擊、線性區工作損壞的方法主要有 ：適當增大 PFC 的電流取樣電阻RS，校核功率 MOSFET 飽和電流
、電感的飽和電流，並保證功率 MOSFET 飽和電流大於電感的飽和電流，電感的飽和電流大於取樣電阻設定的最大電流，同時有一定的設計裕量。