淺談PFC電路MOS管應(yīng)用電路振蕩問題

關(guān)鍵詞：PFC電路;MOS管;電路振蕩

中圖法分類號：TM133 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1前言

計算機(jī)電源的根本作用是對交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便為主機(jī)提供所需電力。所以，評價電源優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一就是能源轉(zhuǎn)換效率。能源轉(zhuǎn)換效率即電源在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換時的能量剩余比例，影響能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一就是PFC電路（電源內(nèi)部功率因素校正電路）。對于PFC電路來說，MOS管是重要組成部分，其由于具有多方面優(yōu)勢（例如較高阻抗、較低噪音、較低功耗等），所以應(yīng)用范圍較為廣泛。本文主要概述PFC電路中MOS管在應(yīng)用時發(fā)生振蕩的基本原理以及由于MOS振蕩造成損壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出針對性的解決措施，并且利用試驗的方式證明這些措施的有效性和可靠性。通過本文，希望能夠?qū)FC電路中MOS管的應(yīng)用電路和參數(shù)設(shè)定提供一定的參考以及幫助。

2MOS管及其振蕩原理分析

在實(shí)際應(yīng)用中，為了能夠解決PFC電路中產(chǎn)生的電磁干擾（電源EMI）等問題，一般采用在MOS管的D和S之間并聯(lián)高壓電容的方式，按照實(shí)際情況可以設(shè)定電容值在47～220pF范圍，同時對PFC電路升壓二極管D2并聯(lián)1個高壓電容（電容值設(shè)定在47～100pF范圍）。因為內(nèi)部柵極處于高電流、高速M(fèi)OSFET中，所以該電阻值極小，如果沒有外部電阻腐的作用，該諧振電路的品質(zhì)因數(shù)會很大。但是一旦發(fā)生諧振，在柵極端子和源極端子中間就會產(chǎn)生很大的振蕩電壓，從而產(chǎn)生一定的寄生振蕩效應(yīng)。一般情況下，常規(guī)的MOS管在實(shí)際使用時（包括開關(guān)機(jī)、正常使用的情況下）并不會產(chǎn)生異常性問題，但是在MOS管寄生參數(shù)出現(xiàn)改變的情況下，一旦快速開關(guān)機(jī)時就容易出現(xiàn)非常明顯的驅(qū)動波形振蕩，若情況比較嚴(yán)重還會造成MOS管發(fā)生破損。其中，MOS管的驅(qū)動波形見后文。

通過研究分析能夠得出一個重要的結(jié)論：MOS管產(chǎn)生的寄生參數(shù)對波形振蕩具有非常重要的影響。為了證明此情況，可以利用電路的模擬以及仿真來進(jìn)行試驗。對于MOS管來說，不但擁有不同極之間的寄生電容（Cgd、Cds、Cgs），而且也會在多個極（包括G極、S極、D極等）之間串接寄生電感（L_g、L_d、L_s），其所串接的寄生電感主要受到MOS管引腳材質(zhì)以及引腳長度的影響。若要有效解決電磁干擾等方面的問題，往往會在MOS管的D和S之間并聯(lián)高壓電容。為了能夠進(jìn)行有效的試驗?zāi)M，可以通過C_ds（ext）470pF進(jìn)行說明，通過R_dson表示MOS管的導(dǎo)通電阻。

在開機(jī)的情況下涉及的回路表現(xiàn)情況為：第一，PFC電路二極管D2反向恢復(fù)電流通路順序如下所示：D2經(jīng)過L_d以及R_dson之后流到L_s;第二，在米勒平臺中，C_ds、C_ds（ext）以及Cgd都處于放電狀態(tài)，它們會將所放電量存儲在相應(yīng)的電感（包括L_g、L_d、L_s）中，不同的寄生電容放電回路有所不同。具體為：

①對于C_ds來說，主要利用R_dson進(jìn)行放電，其中L_g、L_d、L_s并不參與到諧振中;

②對于C_ds（ext）來說，其放電回路主要包括如下幾種：

通過以上回路能夠得知最終的放電能量都會存儲在L_g、L_s中。

通過上述分析能夠得知，受到寄生電容、寄生電感、外接電容等方面的通路影響，若PFC電路中的MOS管進(jìn)行多次開關(guān)機(jī)就容易造成驅(qū)動波形發(fā)生相應(yīng)的振蕩。在振蕩較為嚴(yán)重的情況下，容易造成開關(guān)MOS管遭損壞。利用相應(yīng)的仿真分析也能夠得到相似的波形，具體的仿真結(jié)果如圖1所示。

由于受到漏極線路、源極線路、柵極線路、接合線和其他線路中的雜散電感的影響，并聯(lián)的MOSFET發(fā)生寄生振蕩的概率比單個MOSFET發(fā)生寄生振蕩的概率更大。但值得注意的是，該寄生振蕩與漏源負(fù)載、續(xù)流二極管、電源、共用柵極電阻器和柵極驅(qū)動電路無關(guān)。通過上述分析，我們能夠得出并聯(lián)的MOSFET易形成高品質(zhì)因數(shù)的諧振電路，并且該電路具有較高增益的反饋環(huán)路。

3MOS管振蕩問題的解決措施

（1）為了避免由于電容原因造成二極管反向恢復(fù)時間增加的情況發(fā)生，盡量不要在PFC電路的升壓二極管上增設(shè)電容，這能夠避免MOS管發(fā)生較強(qiáng)振蕩，防止損壞;對于寄生振蕩情況同樣需要避免，解決的措施為在選取MOSFET時盡可能使得Cds/Cgs的比值較低，gm值較小。

（2）為了能夠充分發(fā)揮磁珠所具有的高頻阻抗作用，我們可以在PFC電路中MOS管的漏極（D極）插入一個柵極電阻器R1或一個鐵氧體磁珠，因為通過該操作能夠減小諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，從而減小正反饋環(huán)路的增益。同時，通過試驗也證實(shí)并聯(lián)的每個MOSFET插入串聯(lián)柵極電阻器可以有效防止寄生振蕩，能夠有效限制快速開關(guān)機(jī)過程中MOS管所造成的串聯(lián)諧振問題。

為了有效解決PFC電路中MOS管所產(chǎn)生的EMC方面的問題，往往會在其漏極和源極（也就是D極和S極）之間設(shè)置高壓電容（所并聯(lián)的電容范圍為47～220pF）。另外，為了防止和MOS管內(nèi)寄生電感作用而產(chǎn)生振蕩問題，要盡可能避免增設(shè)此種電容。如果為了解決EMC問題一定要增設(shè)此電容，那么也要確保其和MOS管的漏極磁珠一起使用。

通過上述措施，實(shí)測PFC電路的驅(qū)動波形情況如圖2所示。

從圖中可知，在采取相應(yīng)措施之后，在進(jìn)行快速開關(guān)機(jī)情況下，MOS管柵極波形的瞬態(tài)值已經(jīng)去除掉了尖峰，這樣就可以確保MOS管能夠很好地滿足快速開關(guān)機(jī)方面的需要，能夠降低由于振蕩所引發(fā)的損壞概率。

4結(jié)束語

對于PFC電路來說，一旦MOS管寄生參數(shù)發(fā)生變化，就容易引發(fā)相應(yīng)的振蕩，嚴(yán)重時甚至造成損壞。針對此情況，本文主要介紹了PFC電路中MOS管的相關(guān)內(nèi)容，對于MOS管振蕩原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。通過相應(yīng)的理論分析以及電路仿真對具體情況進(jìn)行了模擬，從而得到相應(yīng)的結(jié)論：MOS管不但存在寄生電容，同時也存在一定的寄生電感，該電感主要是由引腳材料和尺寸差異所產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上，通過采取多種措施，可以降低由于寄生電容以及寄生電感振蕩所造成的PFC電路中MOS管損壞的概率。

作者簡介：

蔣興彪（1982—），大專學(xué)歷，助理工程師，主要研究方向：半導(dǎo)體元器件以及小型功能電路模塊設(shè)計與生產(chǎn)工藝。