PFC电路结构和原理-MOS的PFC驱动电路设计及注意事项

PFC电路基本结构和工作原理

图1为未加入PFC电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)整(zheng)流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)原(yuan)理方框图，图 2 为工(gong)作波(bo)(bo)形。通过分析，我们可以看(kan)出．未加PFC电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)整(zheng)流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)稳定工(gong)作以后，只有在(zai)(zai)(zai)市(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)正(zheng)负峰(feng)值附近二极管才(cai)导通，产生脉(mai)冲电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。造成离线电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)功率(lv)因(yin)数(shu)降低的(de)原(yuan)因(yin)在(zai)(zai)(zai)于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)导通角太小(xiao)(xiao)，在(zai)(zai)(zai)半个周(zhou)(zhou)期内(nei)远远小(xiao)(xiao)于 180°，提高功率(lv)因(yin)数(shu)就要设法使电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)波(bo)(bo)形在(zai)(zai)(zai)整(zheng)个周(zhou)(zhou)期内(nei)追(zhui)踪电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)波(bo)(bo)形。

既然造成导通(tong)角太小的原因(yin)是整(zheng)流器(qi)后(hou)面接(jie)人的大(da)容量(liang)滤(lv)波(bo)电容，有源PFC电路基本(ben)思(si)想就是在(zai)整(zheng)流器(qi)和大(da)容量(liang)滤(lv)波(bo)电容之间加入(ru)一级初级调整(zheng)，把两者(zhe)进(jin)行(xing)隔离，此PFC初级调整(zheng)变换(huan)器(qi)输出一个基本(ben)稳定的DC电压(ya)，同(tong)时其输入(ru)电流能按照(zhao)和市电一样的正弦(xian)规律变化。

图1

图2

图(tu)3所示电(dian)(dian)路(lu)(lu)为(wei)加入PFC电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)基本结(jie)(jie)构(gou)和工作原理。通(tong)(tong)过(guo)比较(jiao)，我(wo)们可以比较(jiao)明确看出 PFC电(dian)(dian)路(lu)(lu)在电(dian)(dian)源电(dian)(dian)路(lu)(lu)结(jie)(jie)构(gou)中的(de)位置和作用(yong)(yong)。尽管PFC电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)具体形式(shi)(shi)繁多，不(bu)尽相(xiang)同(tong)，工作模式(shi)(shi)也(ye)不(bu)一(yi)样（CCM电(dian)(dian)流连(lian)(lian)续(xu)型、DCM不(bu)连(lian)(lian)续(xu)型、CRM临(lin)界型），但基本的(de)结(jie)(jie)构(gou)大(da)同(tong)小(xiao)异，大(da)部分(fen)都是(shi)采用(yong)(yong)升(sheng)压(ya)的(de) boost 拓扑结(jie)(jie)构(gou)，因为(wei)这(zhei)(zhei)种(zhong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)形式(shi)(shi)优点比较(jiao)多。这(zhei)(zhei)也(ye)是(shi)一(yi)种(zhong)典型的(de)升(sheng)压(ya)开(kai)关(guan)电(dian)(dian)路(lu)(lu)，基本的(de)思想就(jiu)是(shi)前面(mian)说(shuo)的(de)把(ba)整流电(dian)(dian)路(lu)(lu)和大(da)滤波(bo)电(dian)(dian)容(rong)分(fen)割，通(tong)(tong)过(guo)控制(zhi)PFC开(kai)关(guan)管的(de)导通(tong)(tong)使输(shu)入电(dian)(dian)流能跟踪输(shu)入电(dian)(dian)压(ya)的(de)变(bian)化。

工作原(yuan)理(li)并不(bu)复杂(za)，彻底搞清(qing)楚(chu)这个基本电(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)原(yuan)理(li)，就能(neng)(neng)触类旁(pang)通(tong)(tong)(tong)，给独立分(fen)析电(dian)(dian)(dian)路(lu)打下基础。在(zai)这个电(dian)(dian)(dian)路(lu)中(zhong)，PFC 电(dian)(dian)(dian)感L在(zai)MOS开(kai)关(guan)(guan)管0导通(tong)(tong)(tong)时(shi)储存能(neng)(neng)量(liang)，在(zai)开(kai)关(guan)(guan)管截止(zhi)时(shi)，电(dian)(dian)(dian)感 L 上感应出右正左负的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，将导通(tong)(tong)(tong)时(shi)储存的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)通(tong)(tong)(tong)过升压(ya)(ya)二(er)(er)极(ji)管 Dl 对大的(de)(de)滤(lv)波(bo)电(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)，输出能(neng)(neng)量(liang)，只(zhi)不(bu)过其输入的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)是没有(you)经过滤(lv)波(bo)的(de)(de)脉动电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)。值得注意(yi)的(de)(de)是，平板电(dian)(dian)(dian)视大部分(fen) PFC 电(dian)(dian)(dian)感L上大都并联着一个二(er)(er)极(ji)管 D2，该(gai)二(er)(er)极(ji)管D2具有(you)保护作用。

图(tu)3

大(da)(da)家知道：PFC电(dian)路后面(mian)大(da)(da)的(de)(de)储能滤(lv)波(bo)电(dian)容C和PFC电(dian)感L是串联的(de)(de)，由(you)于电(dian)感L上(shang)的(de)(de)电(dian)流(liu)不(bu)能突变，就对(dui)大(da)(da)的(de)(de)滤(lv)波(bo)电(dian)容C的(de)(de)浪涌(yong)电(dian)流(liu)起(qi)了限制作用。

MOS的PFC驱动电路设计及注意事项

PFC是电源拓扑中对MOS要求比较高的拓扑之一，这是因为：

（1）PFC有比较(jiao)宽的输入电压(ya)(ya)范围(wei)。现代电源大(da)都要(yao)(yao)求在90-264V的全范围(wei)交流(liu)电压(ya)(ya)下工(gong)作(zuo)，这意味着MOS既(ji)要(yao)(yao)有足够的耐压(ya)(ya)等级又要(yao)(yao)能承受较(jiao)大(da)电流(liu)；

（2）PFC的(de)控制环路(lu)速度比较慢(man)，为了平滑100Hz/120Hz的(de)交流整流纹波，PFC反(fan)应时间必须达(da)到(dao)数十ms。如(ru)果(guo)控制电路(lu)和IC没有专(zhuan)门(men)进行优(you)化，启动过程往往会(hui)产生很大(da)的(de)冲击(ji)电流，冲击(ji)电流可达(da)正(zheng)常工作(zuo)时的(de)5-10倍；

（3）在缺乏欠压(ya)保护(hu)的PFC中(zhong)，当交流(liu)电压(ya)降到低(di)于90V很多时，电路仍有可能继续工作，这也会产生很高的开关峰(feng)值电流(liu)，导致干(gan)扰(rao)和(he)应力超出正(zheng)常范(fan)围(wei)。图6为(wei)典型的PFC电路，图7为(wei)PFC启动时，MOSFET漏(lou)极的冲(chong)击(ji)电流(liu)示意图。

MOSFET的驱动(dong)电路已经有(you)很多(duo)成(cheng)熟的方案。在(zai)实际应(ying)用中(zhong)，出于成(cheng)本(ben)考虑，很多(duo)驱动(dong)电路都采用比较(jiao)简单(dan)的芯片直驱方案。但是在(zai)大(da)(da)功(gong)率(lv)和性(xing)(xing)能要求比较(jiao)高的应(ying)用中(zhong)，驱动(dong)电路的设计对(dui)MOSFET的可靠性(xing)(xing)和系统的性(xing)(xing)能仍(reng)有(you)很大(da)(da)影(ying)响。

在图8中是最常见(jian)的(de)(de)MOSFET驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)(dian)路，R1，R2是Rg，左图R1+R2是驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)(dian)压上升时的(de)(de)充电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，R1单独(du)作为放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，右图R2单独(du)作为充电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，R1和R2并联(lian)作为放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻。R3是驱(qu)动自放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻。C1和C2分(fen)别(bie)是外(wai)加的(de)(de)Cds和Cgs电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)。

dv/dt的控制策略和注意事项

影(ying)响dv/dt的因素(su)有(you)MOS自身特(te)性、开关(guan)时的电流峰值，以及驱动电路的Rg等(deng)。由于AlphaMOS的Ciss特(te)别(bie)小(xiao)，适当的增大(da)Cgs也(ye)是有(you)效(xiao)改善dv/dt的方法。

虽然MOSFET本身可承受的dv/dt和(he)di/dt很高，但是根(gen)据(ju)经验数据(ju)表明，通过改变Rg和(he)Cgs，控制(zhi)dv/dt不超过20V/ns，对(dui)应(ying)的di/dt不超过200A/ns，在实际电路(lu)中能有(you)较(jiao)好的工作(zuo)状态。在效(xiao)率允许的情况下(xia)，dv/dt小(xiao)于10V/ns，di/dt小(xiao)于100A/ns更(geng)有(you)利于可靠性，如图(tu)9和(he)图(tu)10所(suo)示。

PFC应(ying)用中(zhong)存在(zai)宽输(shu)入电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)范围，输(shu)入电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)跳变(bian)，以及响应(ying)时间慢等(deng)特(te)点，容易出(chu)现比(bi)较大(da)的(de)(de)冲(chong)击电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。在(zai)这种应(ying)用中(zhong)需要特(te)别注意控制峰(feng)值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，同样的(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)参数下，峰(feng)值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)越大(da)，开(kai)关的(de)(de)dv/dt和di/dt越大(da)。要根据实际(ji)应(ying)用中(zhong)的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)峰(feng)值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)来调(diao)(diao)整驱(qu)(qu)动(dong)参数。在(zai)设计中(zhong)，要监测最(zui)(zui)大(da)冲(chong)击电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)下的(de)(de)开(kai)关波形，以确(que)定是(shi)否需要调(diao)(diao)整驱(qu)(qu)动(dong)参数，使(shi)MOSFET工作在(zai)较好的(de)(de)状(zhuang)态。

通(tong)过漏(lou)源(yuan)极(ji)增加(jia)额外的电容也(ye)可(ke)以比较容易地(di)减小dv/dt。在(zai)(zai)正激有(you)源(yuan)拑位(wei)，桥式软开关(guan)，谐(xie)振类(lei)电路中(zhong)，合(he)适(shi)的漏(lou)源(yuan)极(ji)电容有(you)助于开关(guan)状态的优(you)化。而在(zai)(zai)PFC和反激类(lei)电路中(zhong)则需要(yao)小心处理，要(yao)和效(xiao)率进(jin)行适(shi)当的平衡。在(zai)(zai)效(xiao)率允许的范围内，通(tong)过增大漏(lou)源(yuan)极(ji)电容还可(ke)以有(you)效(xiao)地(di)减少EMI。

减少通过Cgd耦合对驱动的干扰

由(you)于(yu)AlphaMOS的(de)(de)高(gao)(gao)速开关特性(xing)，以及极低(di)的(de)(de)Ciss和Crss，AlphaMOS更容易受layout不良(liang)而导(dao)致(zhi)驱动受到干(gan)扰。这种干(gan)扰往往是由(you)于(yu)高(gao)(gao)频高(gao)(gao)压的(de)(de)走(zou)线(xian)和驱动走(zou)线(xian)靠的(de)(de)太近。使(shi)得漏极的(de)(de)高(gao)(gao)dv/dt信(xin)号通过(guo)耦合(he)放大的(de)(de)Cgd进入驱动信(xin)号。如图11和图12所示。

驱动端加磁珠

驱动端(duan)(duan)加磁珠是种简单合理(li)的(de)(de)方(fang)法，可以(yi)(yi)抑制驱动端(duan)(duan)受干(gan)扰产(chan)生(sheng)的(de)(de)尖刺。建议将磁珠放置(zhi)在尽(jin)可能靠(kao)近MOS驱动端(duan)(duan)的(de)(de)位(wei)置(zhi)。TO220等(deng)插件封装(zhuang)可以(yi)(yi)采用(yong)(yong)套管式磁珠，贴片(pian)封装(zhuang)的(de)(de)MOS可以(yi)(yi)采用(yong)(yong)类似贴片(pian)电阻大小(xiao)的(de)(de)SMD磁珠。选取磁珠需要查阅其数(shu)据手册，确(que)保(bao)可以(yi)(yi)通过至少(shao)3A的(de)(de)电流(liu)，其峰值抑制频率应在30-100MHz。通常情况下磁珠并不会(hui)对(dui)驱动波(bo)形产(chan)生(sheng)影(ying)响，当MOS上(shang)流(liu)过很(hen)大电流(liu)导致干(gan)扰突然(ran)增大时，磁珠才起作(zuo)用(yong)(yong)。

合理放置驱动元器件的位置

对于有(you)图腾(teng)柱驱(qu)(qu)动(dong)(dong)或者三极管辅助放电的(de)(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电路(lu)(lu)，起到辅助和增强作用的(de)(de)(de)电路(lu)(lu)元件要(yao)尽可能靠(kao)近MOS。特别是地线(xian)，要(yao)直接单点与MOS的(de)(de)(de)源级连接，一(yi)定(ding)要(yao)尽量避免在驱(qu)(qu)动(dong)(dong)的(de)(de)(de)地线(xian)回(hui)路(lu)(lu)上有(you)主(zhu)功(gong)率(lv)部分的(de)(de)(de)电流通(tong)过，否则(ze)，主(zhu)功(gong)率(lv)回(hui)路(lu)(lu)中(zhong)的(de)(de)(de)大电流会耦合到驱(qu)(qu)动(dong)(dong)回(hui)路(lu)(lu)中(zhong)，造(zao)成驱(qu)(qu)动(dong)(dong)的(de)(de)(de)误开(kai)通(tong)和误关(guan)断(duan)。控制芯片的(de)(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)信号则(ze)要(yao)远离高压高频走(zou)线(xian)。

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