功率因素校正电路PFC电感旁路二极管的作用

摘  要

本文总结了功率因素校正电路PFC电感加旁路二极管作用的几种不同解释：减少主二极管的浪涌电流；提高系统抗雷击的能力；减少开机瞬间系统的峰值电流，防止电感饱和损坏功率MOSFET。具体分析了输入交流掉电系统重起动，导致功率MOSFET驱动电压降低、其进入线性区而发生损坏，才是增加旁路二极管最重要、最根本的原因。给出了在这种模式下，功率MOSFET发生损坏的波形和失效形态，同时给出了避免发生这种损坏的几个方法。

0 前言

中大功率的 ACDC 电源都会采用有源功率因数校正PFC 电路 PFC 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，通常会加一个旁路的二级管，和输入的电感并联。关于旁路二级管的作用，众说纷纭，不同的资料，不同的

工程师，都有不同的解释，下面来逐个分析说明。

1、增加输入电感旁路二级管作用的几种理由

1.1 减少 PFC 的二极管 D1 的浪涌电流

功率因数校正电路所加的旁路二级管如图 1 的 D2 所示，因为D1是快速恢复二极管，抗浪涌电流的能力比较差，D2 是普通的二极管，承受浪涌电流的能力很强，这种解释似乎有一点道理，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。

图 1 ：PFC 基本电路原理图

1.2 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，功率 MOSFET 开通时，特别是在输入正弦波的值峰点附近开通，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。

1.3 减少开机瞬间峰值电流，防止 PFC 电感饱和而损坏功率 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电感的瞬间峰值电流非常大，有可能会出现饱和，如果此时 PFC 电路工作，流过功率 MOSFET 的瞬间峰值也电流大，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。

2、增加输入电感旁路二级管真正的作用

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为 0，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，高于 PFC 控制 IC 的 VCC 的UVLO，那么 PFC 控制 IC 仍然在工作，如表 1 为一款PFC 控制器的供电电压 VCC 的特性，列出了 UVLO 电压参数。实际工作中，输入交流 AC 掉电时，PFC 控制IC 的 VCC 电压的工作波形如图 2 所示。

表 1 ：PFC 控制器的供电电压参数

图 2 ：输入交流 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PIC 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。[1][2]

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 ：

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。

图 3 ：PFC 的电流取样电路

系统环境的温度升高时，PFC 控制 IC 内部图腾柱上管的导通压降会增加，VDR 电压降低，VGS 电压也会进一步降低，增加功率 MOSFET 进入线性区风险。

(a) 重起动波形

(b) 重起动放大波形

(c) 重起动线性区波形

图 4 ：输入交流 AC 掉电重起动的波形

如图 4 所示，从输入交流 AC 掉电重起动的波形，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。

功率 MOSFET 线性区失效形态如图 5 所示。

图 5 ：PFC 功率 MOSFET 线性区失效形态

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。

同时，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。

3、防止功率 M O S F E T 大电流线性区工作损坏的方法

3.1 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 的最大的导通时间，减小最大的工作峰值电流。

3.2 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。

3.3 校核 PFC 电感的饱和电流

设计中要确保 ：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。

3.4 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 ID-VGS=UVLO，保证 ID-VGS=UVLO 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。

超结结构的高压 MOSFET 的饱和电流通常比较低，随着结温的增大，其饱和电流降低，如图 6 所示。[3][4][5]

图 6 ：超结高压 MOSFET 的 转移特性

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 6 转移特性曲线非常详细的给出功率 MOSFET 的饱和电流，特别是图 6 中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 ID-UVLO >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。

4、结论

（1）功率因素校正电路加旁路二极管最主要的作用是：在输入交流掉电系统重起动过程中，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。

（2）防止功率 MOSFET 发生大电流线冲击、线性区工作损坏的方法主要有 ：适当增大 PFC 的电流取样电阻RS，校核功率 MOSFET 饱和电流、电感的饱和电流，并保证功率 MOSFET 饱和电流大于电感的饱和电流，电感的饱和电流大于取样电阻设定的最大电流，同时有一定的设计裕量。