寻根究底：PFC电路旁路二极管作用及MOSFET常见失效模式

刘松 刘瞻 卢森茂 艾结华

 

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的最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最大的状态，而是从最小值慢慢的增加， PFC的过电流保护电路OCP也限制功率MOSFET工作的最大峰值电流。

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达到系统设定的最大工作电流之前，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最主要的作用是：

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的最大峰值电流，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的最大导通时间，减小最大的工作峰值电流。

(2) 适当增大PFC的电流取样电阻RS

增大PFC的电流取样电阻，可以减小最大的工作峰值电流，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最大电流值，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最大电流值的这种关系，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最大电流值，同时具有一定的余量，而且，这个最大电流值是在实际最高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最高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 > 取样电阻设定的最大电流。

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。