功率因素校正電路旁路二極管的作用
作者簡(jiǎn)介:劉松,男,湖北武漢人, 碩士,現(xiàn)任職于萬國半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心總監(jiān),主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng),發(fā)表技術(shù)論文60多篇。songliu@aosmd.com。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202108/427503.htm0 引言
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 升壓電路,在實(shí)際的使用中,通常會(huì)加一個(gè)旁路二極管,連接在整流橋的輸出端和高壓直流輸出端之間。關(guān)于旁路二極管的作用,眾說紛紜,不同的資料,不同的工程師,都有不同的解釋,下面來逐個(gè)分析說明。
1 常見的增加旁路二極管作用的幾種理由
1.1 減少PFC輸出二極管D1的浪涌電流
功率因數(shù)校正電路所加的旁路二極管如圖1 中的D2 所示,因?yàn)镈1 是快速恢復(fù)二極管,抗浪涌電流的能力比較差,D2 是普通的二極管,承受浪涌電流的能力很強(qiáng),這種解釋似乎有一點(diǎn)道理,但是,在實(shí)際應(yīng)用中,如果不加旁路二極管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,旁路二極管D2 的最主要作用不是為了保護(hù)輸出二極管D1。
1.2 提高系統(tǒng)通過雷擊測(cè)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,如果不加旁路二極管D2,系統(tǒng)不容易通過雷擊測(cè)試,那么,這說明,加旁路二極管D2,的確有提高系統(tǒng)通過雷擊測(cè)試的作用。另外,由于這個(gè)防雷回路阻抗非常低,必須用電流非常大的二極管,否則D2 也會(huì)發(fā)生損壞。
圖1 PFC基本電路原理圖
系統(tǒng)在雷擊測(cè)試的過程中,產(chǎn)生的能量通過浪涌電流的形式,經(jīng)過旁路二極管D2,存儲(chǔ)到大的輸出電容。如果沒有旁路二極管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,功率MOSFET 開通時(shí),特別是在輸入正弦波的峰值點(diǎn)附近開通,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(cè)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(cè)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。
1.3 減少開機(jī)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(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 電感的瞬間峰值電流非常大,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 的瞬間峰值也電流大,從而損壞功率MOSFET。
增加旁路二極管D2 后,旁路二極管D2 對(duì)輸出大電容充電,輸出電壓建立的比較早,PFC 電感能夠很快地進(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),而是從最小值慢慢地增加,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。
2 增加輸入電感旁路二極管真正的作用
實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn), 不加旁路二極管, 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(cè)試、輸入掉電測(cè)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)的降到為0,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,高于PFC 控制IC 的VCC 的UVLO,那么PFC 控制IC 仍然在工作,如表1 為一款PFC 控制器的供電電壓VCC 的特性,列出了UVLO 電壓參數(shù)。實(shí)際工作中,輸入交流AC 掉電時(shí),PFC 控制IC 的VCC 電壓的工作波形如圖2 所示。
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裕量不夠,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PIC 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。[1-2]另外,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,如圖3 所示,功率MOSFET 的VGS 實(shí)際電壓為:
VGS=VDR-VRS
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,就更容易進(jìn)入線性區(qū)工作。
圖3 PFC的電流取樣電路
系統(tǒng)環(huán)境的溫度升高時(shí),PFC 控制IC 內(nèi)部圖騰柱上管的導(dǎo)通壓降也會(huì)增加,VDR 電壓降低,VGS 電壓也會(huì)進(jìn)一步降低,增加功率MOSFET 進(jìn)入線性區(qū)風(fēng)險(xiǎn)。在輸入正弦波峰值點(diǎn)附近開通功率MOSFET,一定范圍內(nèi)LC 的取值,導(dǎo)致震蕩,也會(huì)導(dǎo)致率MOSFET進(jìn)入線性區(qū)。
輸入交流AC 掉電重起動(dòng)的波形如圖4 所示,可以看到,功率MOSFET 開通后,VDS 電壓并沒有完全降低到0,而是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。功率MOSFET 線性區(qū)失效形態(tài)如圖5所示。
(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4 輸入交流AC掉電重起動(dòng)的波形
圖5 PFC功率MOSFET線性區(qū)失效形態(tài)
另外,輸入交流AC 從低壓跳變到高壓時(shí),由于控制環(huán)路不能馬上響應(yīng),占空比不能及時(shí)變化,輸入正弦波峰值點(diǎn)附近開通功率MOSFET,過高的輸入電壓導(dǎo)致大的峰值電流,也會(huì)導(dǎo)致PFC 電感發(fā)生飽和的風(fēng)險(xiǎn),增加功率MOSFET 進(jìn)入大的峰值電流條件下線性區(qū)工作損壞的可能性。
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 > 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;同時(shí),對(duì)于輸入交流AC 從低壓跳變到高壓,也起到同樣的作用。
同時(shí),PFC 電感飽和電流的裕量不夠,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)工作損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
3 防止功率MOSFET大電流線性區(qū)工作損壞的方法
3.1 加旁路二極管D2
輸入電源AC 掉電再上電時(shí),通過旁路二極管D2迅速地給輸出電壓充電,減小功率MOSFET 的最大的導(dǎo)通時(shí)間,減小最大的工作峰值電流。當(dāng)輸入交流AC從低壓跳變到高壓時(shí),也起到同樣的作用。
3.2 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)。
3.3 校核PFC電感的飽和電流
設(shè)計(jì)中要確保: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裕量。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,導(dǎo)致OCP 過流保護(hù)起不到真正的作用。
3.4 校核功率MOSFET的飽和電流
很少有工程師注意到功率MOSFET 的飽和電流這個(gè)參數(shù),特別是新一代的超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓MOSFET 的飽和電流,通常比較低;而且隨著結(jié)溫的增大,其飽和電流降低,如圖6 所示。同時(shí),隨著VGS 電壓增加,到6 V 左右時(shí),其最大的飽和電流不會(huì)增加,而且維持一個(gè)恒定的值,如果器件選型不正確,很容易發(fā)生線性區(qū)工作的損壞。[3-5]
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,取VGS=UVLO,校核功率MOSFET 的VGS=UVLO 的飽和電流ID-UVLO,保證ID-UVLO 這個(gè)電流值大于電流取樣電阻所設(shè)定的最大電流值,同時(shí)具有一定的裕量;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。
圖6 超結(jié)高壓MOSFET的轉(zhuǎn)移特性
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6 轉(zhuǎn)移特性曲線非常詳細(xì)地給出功率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(shè)計(jì)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(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。
4 結(jié)論
1)功率因素校正電路加旁路二極管最主要的作用是:在輸入交流掉電系統(tǒng)重起動(dòng)過程中,控制IC 的VCC > 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。同時(shí),對(duì)于輸入交流AC 從低壓跳變到高壓,也起到同樣的作用。
2)防止功率MOSFET 發(fā)生大電流線沖擊、線性區(qū)工作損壞的方法主要有:適當(dāng)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,并保證功率MOSFET 在PFC 控制IC 的UVLO電壓以及最高工作溫度時(shí)的飽和電流大于電感的飽和電流,電感的飽和電流大于取樣電阻設(shè)定的最大電流,同時(shí)有一定的設(shè)計(jì)裕量。
參考文獻(xiàn):
[1] 劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負(fù)溫度系數(shù)對(duì)負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)影響[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010,36(12): 72-74.
[2] 劉松,張龍,王飛,等.開關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析[J].,電子技術(shù)應(yīng)用:2013,39(3): 64-66.
[3] 劉松.超結(jié)型高壓功率MOSFET結(jié)構(gòu)工作原理[J].今日電子,2013,243(11):30-31.
[4] 劉松.脈沖漏極電流IDM及短路保護(hù)[J].今日電子,2018(1):21-23.
[5] 劉松.理解功率MOSFET的電流[J].今日電子,2011(11):35-37.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期)
評(píng)論