PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

上圖為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖，下圖為工作波形。由以上分析我們可以看出．未加入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。

下圖所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過(guò)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(kāi)關(guān)電路，基本的思想就是前面說(shuō)的把整流電路和大濾波電容分割，通過(guò)控制PFC開(kāi)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(lèi)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(kāi)關(guān)管0導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開(kāi)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(guò)升壓二極管Dl對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量，只不過(guò)其輸入的電壓是沒(méi)有經(jīng)過(guò)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。

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。

并聯(lián)保護(hù)分流二極管D2．由于沒(méi)有電感的限制作用，對(duì)濾波電容的沖擊反而會(huì)更大，但它可以保護(hù)升壓二圾管，特別是PFC開(kāi)關(guān)管。Dl是快速恢復(fù)二極管（由于開(kāi)關(guān)管是在電感電流不為零的時(shí)候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復(fù)電流），承受浪涌電流的能力較弱。減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的，而D2所采用的是普通的整流二極管，承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，如1N5407的額定電流3A．浪涌電流可達(dá)200A。

該保護(hù)二極管D2表面上降低的是對(duì)PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，但實(shí)際上還有一個(gè)重要的作用：保護(hù)PFC開(kāi)關(guān)管。

在開(kāi)機(jī)的瞬間，濾波電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電．通過(guò)PFC電感的電流相對(duì)比較大。如果在電源開(kāi)關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值時(shí)，對(duì)電容充電的過(guò)程中PFC電感L有可能會(huì)出現(xiàn)磁飽和的情況，此時(shí)PFC電路工作就麻煩了，在磁飽和的情況下，流過(guò)PFC開(kāi)關(guān)管的電流就會(huì)失去限制，燒壞開(kāi)關(guān)管。為防止悲劇發(fā)生，一種方法是對(duì)PFC電路工作的工作時(shí)序加以控制，即當(dāng)對(duì)大電容的充電完成以后，再啟動(dòng)PFC電路：另一種比較簡(jiǎn)單的辦法就是在PFC線圈到升壓二極管上并聯(lián)一只二極管旁路。啟動(dòng)的瞬間，給大電容的充電提供另一個(gè)支路，防止大電流流過(guò)PFC線圈造成飽和，過(guò)流損壞開(kāi)關(guān)管，保護(hù)開(kāi)關(guān)管，同時(shí)該保護(hù)二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流，保護(hù)了升壓二極管。另外，D2的加入使得對(duì)大電容充電過(guò)程加快．其上的電壓及時(shí)建立，也能使PFC電路的電壓反饋環(huán)路及時(shí)工作，減小開(kāi)機(jī)時(shí)PFC開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間．使PFC電路盡快正常工作?！?，綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開(kāi)機(jī)瞬間或負(fù)載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對(duì)PFCMOS管造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了PFC電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。在開(kāi)機(jī)正常工作以后，由于D2右面為B+PFC輸出電壓，電壓比左面高，D2呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路的工作沒(méi)有影響，D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。在有些電源中，PFC后面的電容容量不大，也有的沒(méi)有接入保護(hù)二極管D2，但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容，此二極管是不能減少的，對(duì)電路的安全性有著重要的意義。

MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、結(jié)構(gòu)和符號(hào)（以N溝道增強(qiáng)型為例）

在一塊濃度較低的P型硅上擴(kuò)散兩個(gè)濃度較高的N型區(qū)作為漏極和源極，半導(dǎo)體表面覆蓋二氧化硅絕緣層并引出一個(gè)電極作為柵極。

其他MOS管符號(hào)

2、工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）

（1）VGS=0時(shí)，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。

VGS=0，ID=0

VGS必須大于0

管子才能工作。

（2）VGS》0時(shí)，在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。當(dāng)VGS達(dá)到一定值時(shí)P區(qū)表面將形成反型層把兩側(cè)的N區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道。

VGS》0→g吸引電子→反型層→導(dǎo)電溝道

VGS↑→反型層變厚→VDS↑→ID↑

（3）VGS≥VT時(shí)而VDS較小時(shí)：

VDS↑→ID↑

VT：開(kāi)啟電壓，在VDS作

用下開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的VGS°

VT=VGS—VDS

（4）VGS》0且VDS增大到一定值后，靠近漏極的溝道被夾斷，形成夾斷區(qū)。

VDS↑→ID不變

MOS的PFC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

PFC是電源拓?fù)渲袑?duì)MOS要求比較高的拓?fù)渲?，這是因?yàn)椋海?）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(méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化，啟動(dòng)過(guò)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(kāi)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。

圖6：典型的PFC電路

圖7：PFC啟動(dòng)，MOSFET漏極的沖擊電流

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(jiǎn)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。

圖8:MOSFET兩種基本驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

在圖8中是最常見(jiàn)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。

（1）dv/dt的控制策略和注意事項(xiàng)

影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開(kāi)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(guò)改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過(guò)20V/ns，對(duì)應(yīng)的di/dt不超過(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)，諧振類(lèi)電路中，合適的漏源極電容有助于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。而在PFC和反激類(lèi)電路中則需要小心處理，要和效率進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶?。在效率允許的范圍內(nèi)，通過(guò)增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。

圖9：MOSFET關(guān)斷dv/dt與放電電阻關(guān)系

圖10：MOSFET關(guān)斷dv/dt與Cgs關(guān)系

（2）減少通過(guò)Cgd耦合對(duì)驅(qū)動(dòng)的干擾

由于AlphaMOS的高速開(kāi)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(guò)耦合放大的Cgd進(jìn)入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖11和圖12所示。

圖11：PFCMOSFET驅(qū)動(dòng)被干擾

圖12：PFCMOSFET驅(qū)動(dòng)正常

（3）驅(qū)動(dòng)端加磁珠

驅(qū)動(dòng)端加磁珠是種簡(jiǎn)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(lèi)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?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)很大電流導(dǎo)致干擾突然增大時(shí)，磁珠才起作用。

（4）合理放置驅(qū)動(dòng)元器件的位置

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(guò)，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(kāi)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。由于芯片的地線往往遠(yuǎn)離MOS的源級(jí)，因此只有在小功率的應(yīng)用中采用芯片直接驅(qū)動(dòng)。較大功率或干擾信號(hào)強(qiáng)的應(yīng)用還是建議帶有驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)的輔助驅(qū)動(dòng)電路。