PFC電路結(jié)構(gòu)和原理-MOS的PFC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-10-28
圖1為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖，圖 2 為工作波形。通過分析，我們可以看出．未加PFC電路的整流電路穩(wěn)定工作以后，只有在市電電壓的正負(fù)峰值附近二極管才導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流。造成離線電源功率因數(shù)降低的原因在于電流的導(dǎo)通角太小，在半個(gè)周期內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 180°，提高功率因數(shù)就要設(shè)法使電流的波形在整個(gè)周期內(nèi)追蹤電壓的波形。
既然造成導(dǎo)通角太小的原因是整流器后面接人的大容量濾波電容，有源PFC電路基本思想就是在整流器和大容量濾波電容之間加入一級(jí)初級(jí)調(diào)整，把兩者進(jìn)行隔離，此PFC初級(jí)調(diào)整變換器輸出一個(gè)基本穩(wěn)定的DC電壓，同時(shí)其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規(guī)律變化。
圖1
圖2
圖3所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過比較，我們可以比較明確看出 PFC電路在電源電路結(jié)構(gòu)中的位置和作用。盡管PFC電路的具體形式繁多，不盡相同，工作模式也不一樣（CCM電流連續(xù)型、DCM不連續(xù)型、CRM臨界型），但基本的結(jié)構(gòu)大同小異，大部分都是采用升壓的 boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種電路形式優(yōu)點(diǎn)比較多。這也是一種典型的升壓開關(guān)電路，基本的思想就是前面說的把整流電路和大濾波電容分割，通過控制PFC開關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。
工作原理并不復(fù)雜，徹底搞清楚這個(gè)基本電路的原理，就能觸類旁通，給獨(dú)立分析電路打下基礎(chǔ)。在這個(gè)電路中，PFC 電感L在MOS開關(guān)管0導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管截止時(shí)，電感 L 上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過升壓二極管 Dl 對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量，只不過其輸入的電壓是沒有經(jīng)過濾波的脈動(dòng)電壓。值得注意的是，平板電視大部分 PFC 電感L上大都并聯(lián)著一個(gè)二極管 D2，該二極管D2具有保護(hù)作用。
圖3
大家知道：PFC電路后面大的儲(chǔ)能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對(duì)大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。
PFC是電源拓?fù)渲袑?duì)MOS要求比較高的拓?fù)渲唬@是因?yàn)椋?/span>
（1）PFC有比較寬的輸入電壓范圍。現(xiàn)代電源大都要求在90-264V的全范圍交流電壓下工作，這意味著MOS既要有足夠的耐壓等級(jí)又要能承受較大電流；
（2）PFC的控制環(huán)路速度比較慢，為了平滑100Hz/120Hz的交流整流紋波，PFC反應(yīng)時(shí)間必須達(dá)到數(shù)十ms。如果控制電路和IC沒有專門進(jìn)行優(yōu)化，啟動(dòng)過程往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，沖擊電流可達(dá)正常工作時(shí)的5-10倍；
（3）在缺乏欠壓保護(hù)的PFC中，當(dāng)交流電壓降到低于90V很多時(shí)，電路仍有可能繼續(xù)工作，這也會(huì)產(chǎn)生很高的開關(guān)峰值電流，導(dǎo)致干擾和應(yīng)力超出正常范圍。圖6為典型的PFC電路，圖7為PFC啟動(dòng)時(shí)，MOSFET漏極的沖擊電流示意圖。
MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)有很多成熟的方案。在實(shí)際應(yīng)用中，出于成本考慮，很多驅(qū)動(dòng)電路都采用比較簡單的芯片直驅(qū)方案。但是在大功率和性能要求比較高的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)MOSFET的可靠性和系統(tǒng)的性能仍有很大影響。
在圖8中是最常見的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，R1，R2是Rg，左圖R1+R2是驅(qū)動(dòng)電壓上升時(shí)的充電電阻，R1單獨(dú)作為放電電阻，右圖R2單獨(dú)作為充電電阻，R1和R2并聯(lián)作為放電電阻。R3是驅(qū)動(dòng)自放電電阻。C1和C2分別是外加的Cds和Cgs電容。
影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開關(guān)時(shí)的電流峰值，以及驅(qū)動(dòng)電路的Rg等。由于AlphaMOS的Ciss特別小，適當(dāng)?shù)脑龃驝gs也是有效改善dv/dt的方法。
雖然MOSFET本身可承受的dv/dt和di/dt很高，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過20V/ns，對(duì)應(yīng)的di/dt不超過200A/ns，在實(shí)際電路中能有較好的工作狀態(tài)。在效率允許的情況下，dv/dt小于10V/ns，di/dt小于100A/ns更有利于可靠性，如圖9和圖10所示。
PFC應(yīng)用中存在寬輸入電壓范圍，輸入電壓跳變，以及響應(yīng)時(shí)間慢等特點(diǎn)，容易出現(xiàn)比較大的沖擊電流。在這種應(yīng)用中需要特別注意控制峰值電流，同樣的驅(qū)動(dòng)參數(shù)下，峰值電流越大，開關(guān)的dv/dt和di/dt越大。要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的最大峰值電流來調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)。在設(shè)計(jì)中，要監(jiān)測(cè)最大沖擊電流下的開關(guān)波形，以確定是否需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使MOSFET工作在較好的狀態(tài)。
通過漏源極增加額外的電容也可以比較容易地減小dv/dt。在正激有源拑位，橋式軟開關(guān)，諧振類電路中，合適的漏源極電容有助于開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。而在PFC和反激類電路中則需要小心處理，要和效率進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶狻Ｔ谛试试S的范圍內(nèi)，通過增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。
由于AlphaMOS的高速開關(guān)特性，以及極低的Ciss和Crss，AlphaMOS更容易受layout不良而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)受到干擾。這種干擾往往是由于高頻高壓的走線和驅(qū)動(dòng)走線靠的太近。使得漏極的高dv/dt信號(hào)通過耦合放大的Cgd進(jìn)入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖11和圖12所示。
驅(qū)動(dòng)端加磁珠是種簡單合理的方法，可以抑制驅(qū)動(dòng)端受干擾產(chǎn)生的尖刺。建議將磁珠放置在盡可能靠近MOS驅(qū)動(dòng)端的位置。TO220等插件封裝可以采用套管式磁珠，貼片封裝的MOS可以采用類似貼片電阻大小的SMD磁珠。選取磁珠需要查閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)，確保可以通過至少3A的電流，其峰值抑制頻率應(yīng)在30-100MHz。通常情況下磁珠并不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生影響，當(dāng)MOS上流過很大電流導(dǎo)致干擾突然增大時(shí)，磁珠才起作用。
對(duì)于有圖騰柱驅(qū)動(dòng)或者三極管輔助放電的驅(qū)動(dòng)電路，起到輔助和增強(qiáng)作用的電路元件要盡可能靠近MOS。特別是地線，要直接單點(diǎn)與MOS的源級(jí)連接，一定要盡量避免在驅(qū)動(dòng)的地線回路上有主功率部分的電流通過，否則，主功率回路中的大電流會(huì)耦合到驅(qū)動(dòng)回路中，造成驅(qū)動(dòng)的誤開通和誤關(guān)斷。控制芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則要遠(yuǎn)離高壓高頻走線。
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