PFC電路結構和原理-MOS的PFC驅動(dòng)電路設計及注意事項

PFC電路基本結構和工作原理

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(guò)分析，我們可以看出．未加PFC電路的整流電路穩定工作以后，只有在市電電壓的正負峰值附近二極管才導通，產(chǎn)生脈沖電流。造成離線(xiàn)電源功率因數降低的原因在于電流的導通角太小，在半個(gè)周期內遠遠小于 180°，提高功率因數就要設法使電流的波形在整個(gè)周期內追蹤電壓的波形。

既然造成導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初級調整，把兩者進(jìn)行隔離，此PFC初級調整變換器輸出一個(gè)基本穩定的DC電壓，同時(shí)其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規律變化。

圖1

圖2

圖3所示電路為加入PFC電路的基本結構和工作原理。通過(guò)比較，我們可以比較明確看出 PFC電路在電源電路結構中的位置和作用。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電流連續型、DCM不連續型、CRM臨界型），但基本的結構大同小異，大部分都是采用升壓的 boost 拓撲結構，因為這種電路形式優(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)管的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。

工作原理并不復雜，徹底搞清楚這個(gè)基本電路的原理，就能觸類(lèi)旁通，給獨立分析電路打下基礎。在這個(gè)電路中，PFC 電感L在MOS開(kāi)關(guān)管0導通時(shí)儲存能量，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感 L 上感應出右正左負的電壓，將導通時(shí)儲存的能量通過(guò)升壓二極管 Dl 對大的濾波電容充電，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(zhù)一個(gè)二極管 D2，該二極管D2具有保護作用。

圖3

大家知道：PFC電路后面大的儲能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。

MOS的PFC驅動(dòng)電路設計及注意事項

PFC是電源拓撲中對MOS要求比較高的拓撲之一，這是因為：

（1）PFC有比較寬的輸入電壓范圍?，F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(zhù)MOS既要有足夠的耐壓等級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反應時(shí)間必須達到數十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，沖擊電流可達正常工作時(shí)的5-10倍；

（3）在缺乏欠壓保護的PFC中，當交流電壓降到低于90V很多時(shí)，電路仍有可能繼續工作，這也會(huì )產(chǎn)生很高的開(kāi)關(guān)峰值電流，導致干擾和應力超出正常范圍。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的驅動(dòng)電路已經(jīng)有很多成熟的方案。在實(shí)際應用中，出于成本考慮，很多驅動(dòng)電路都采用比較簡(jiǎn)單的芯片直驅方案。但是在大功率和性能要求比較高的應用中，驅動(dòng)電路的設計對MOSFET的可靠性和系統的性能仍有很大影響。

在圖8中是最常見(jiàn)的MOSFET驅動(dòng)電路，R1，R2是Rg，左圖R1+R2是驅動(dòng)電壓上升時(shí)的充電電阻，R1單獨作為放電電阻，右圖R2單獨作為充電電阻，R1和R2并聯(lián)作為放電電阻。R3是驅動(dòng)自放電電阻。C1和C2分別是外加的Cds和Cgs電容。

dv/dt的控制策略和注意事項

影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開(kāi)關(guān)時(shí)的電流峰值，以及驅動(dòng)電路的Rg等。由于A(yíng)lphaMOS的Ciss特別小，適當的增大Cgs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，但是根據經(jīng)驗數據表明，通過(guò)改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過(guò)20V/ns，對應的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應用中存在寬輸入電壓范圍，輸入電壓跳變，以及響應時(shí)間慢等特點(diǎn)，容易出現比較大的沖擊電流。在這種應用中需要特別注意控制峰值電流，同樣的驅動(dòng)參數下，峰值電流越大，開(kāi)關(guān)的dv/dt和di/dt越大。要根據實(shí)際應用中的最大峰值電流來(lái)調整驅動(dòng)參數。在設計中，要監測最大沖擊電流下的開(kāi)關(guān)波形，以確定是否需要調整驅動(dòng)參數，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)行適當的平衡。在效率允許的范圍內，通過(guò)增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。

減少通過(guò)Cgd耦合對驅動(dòng)的干擾

由于A(yíng)lphaMOS的高速開(kāi)關(guān)特性，以及極低的Ciss和Crss，AlphaMOS更容易受layout不良而導致驅動(dòng)受到干擾。這種干擾往往是由于高頻高壓的走線(xiàn)和驅動(dòng)走線(xiàn)靠的太近。使得漏極的高dv/dt信號通過(guò)耦合放大的Cgd進(jìn)入驅動(dòng)信號。如圖11和圖12所示。

驅動(dòng)端加磁珠

驅動(dòng)端加磁珠是種簡(jiǎn)單合理的方法，可以抑制驅動(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據手冊，確?？梢酝ㄟ^(guò)至少3A的電流，其峰值抑制頻率應在30-100MHz。通常情況下磁珠并不會(huì )對驅動(dòng)波形產(chǎn)生影響，當MOS上流過(guò)很大電流導致干擾突然增大時(shí)，磁珠才起作用。

合理放置驅動(dòng)元器件的位置

對于有圖騰柱驅動(dòng)或者三極管輔助放電的驅動(dòng)電路，起到輔助和增強作用的電路元件要盡可能靠近MOS。特別是地線(xiàn)，要直接單點(diǎn)與MOS的源級連接，一定要盡量避免在驅動(dòng)的地線(xiàn)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 )耦合到驅動(dòng)回路中，造成驅動(dòng)的誤開(kāi)通和誤關(guān)斷?？刂菩酒尿寗?dòng)信號則要遠離高壓高頻走線(xiàn)。

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