寻根究底:PFC电路旁路二极管作用及MOSFET常见失效模式

出处:网络 发布于:2022-08-19 17:39:09

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电路,在实际的使用中,通常会加一个旁路二级管D2,如图1所示。旁路二级管D2的作用,不同的资料,不同的工程师,都有不同的解释,下面逐一分析说明。

图1:PFC电路
1、减少PFC的二极管D1的浪涌电流,因为D1是快速恢复二极管,抗浪涌电流的能力比较差。
这种解释似乎有一点道理,D1是快速恢复二极管,承受浪涌电流的能力较弱,D2是普通的二极管,承受浪涌电流的能力很强,但是,在实际应用中,如果不加旁路二级管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,旁路二级管D2的主要作用不是为了保护输出二极管D1。
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,如果不加旁路二级管D2,系统不容易通过雷击测试,那么,这说明,加旁路二级管D2,的确有提高系统通过雷击测试的作用。
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,经过旁路二级管D2,存储到大的输出电容。如果没有旁路二级管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电感饱和时,功率MOSFET开通,特别是在输入正弦波的值峰点附近,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。
3、减少开机瞬间PFC电感和功率MOSFET的峰值电流,防止PFC电感饱和,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电感有可能会出现饱和,如果此时PFC电路工作,流过功率MOSFET的电流非常大,从而损坏功率MOSFET。
增加旁路二级管D2后,旁路二级管D2对输出大电容充电,输出电压建立的比较早,PFC电感能够很快的进行去磁工作,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的状态,而是从值慢慢的增加, PFC的过电流保护电路OCP也限制功率MOSFET工作的峰值电流。
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电感的电流不走飞(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。
那么原因到底是什么呢?
实际应用发现,不加旁路二级管,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较低值或0V,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VCC的电容大,VCC的电流小,因此,VCC的掉电速度远远小于VBUS的掉电速度,VCC的掉电速度慢,只要VCC高于PFC控制IC的VCC的UVLO,那么PFC控制IC仍然在工作。

图2:PFC控制IC的VCC的UVLO电压

图3:输入AC掉电PFC控制IC的VCC电压
当VCC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余量不够,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PFC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。
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,功率MOSFET的VGS实际电压为:
VGS=VCC-VDRH-VRS

其中,VDRH为PFC控制IC内部图腾柱上管的导通压降。

图4:PFC的电流取样电路
高峰值电流导致RS的压降VRS变大,功率MOSFET的VGS电压会进一步降低,更容易进入线性区工作。

系统环境的温度升高时,VDRH导通压降会增加,VGS电压也会进一步降低,增加功率MOSFET进入线性区工作风险。

(a)重起动波形

(b)重起动放大波形

(c)重起动线性区波形

图5:输入AC掉电重起动的波形

图5的波形可以看到,功率MOSFET开通后,VDS电压没有降到0时,在比较高的电压下就关断,非常明显的进入到线性区工作。

图6:PFC功率MOSFET线性区失效图(AOS松江FA团队提供)
因此,加旁路二极管D2主要的作用是:
在输入掉电重起动过程中,PIC控制IC的VCC大于UVLO,在没有软起动的条件下,降低PFC电感和功率MOSFET的峰值电流,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。
PFC电感饱和电流的余量不够,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几率。
如何防止功率MOSFET发生大电流的冲击损坏,以及线性区工作损坏?
(1) 加旁路二级管D2
输入电源AC再加电时,通过旁路二级管D2迅速的给输出电压充电,减小功率MOSFET的导通时间,减小的工作峰值电流。
(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) 校核PFC电感的饱和电流
确保:PFC电感的饱和电流大于电流取样电阻所设定的电流值,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余量。
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电流值的这种关系,OCP过流保护就起不到真正的作用。
(4) 校核功率MOSFET的饱和电流

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,VGS=UVLO,校核功率MOSFET的VGS=UVLO的饱和电流IDUVLO,保证IDUVLO大于电流取样电阻所设定的电流值,同时具有一定的余量,而且,这个电流值是在实际工作结温条件下的饱和电流。超结结构高压功率MOSFET的饱和电流通常比较低,而且,随结温的增大,其饱和电流降低,功率MOSFET饱和电流如图7所示。


(a) 高压MOSFET的导通区特性

(b) 高压MOSFET的转移特性

(c) 高压MOSFET的栅极电荷特性

图7:功率MOSFET饱和电流
PFC控制器的VCC的UVLO值越低,功率MOSFET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7曲线非常详细的给出功率MOSFET的饱和电流,特别是图7(b)的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IDUVLO > PFC电感的饱和电流 > 取样电阻设定的电流。
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IC的VCC的开始工作电压高于UVLO电压,所以,MOSFET不容易进入线性区工作。

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