PFC電路結(jié)構(gòu)和原理-MOS的PFC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2019-10-28
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。通過分析,我們可以看出.未加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初級調(diào)整,把兩者進(jìn)行隔離,此PFC初級調(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。
圖1
圖2
圖3所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過比較,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關(guān)電路,基本的思想就是前面說的把整流電路和大濾波電容分割,通過控制PFC開關(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開關(guān)管0導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量,在開關(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)存的能量通過升壓二極管 Dl 對大的濾波電容充電,輸出能量,只不過其輸入的電壓是沒有經(jīng)過濾波的脈動(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。
圖3
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,就對大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。
PFC是電源拓?fù)渲袑OS要求比較高的拓?fù)渲?,這是因?yàn)椋?/span>
(1)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沒有專門進(jìn)行優(yōu)化,啟動(dòng)過程往往會(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。
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MOSFET的可靠性和系統(tǒng)的性能仍有很大影響。
在圖8中是最常見的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。
影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開關(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,通過改變Rg和Cgs,控制dv/dt不超過20V/ns,對應(yīng)的di/dt不超過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調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)。在設(shè)計(jì)中,要監(jiān)測最大沖擊電流下的開關(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,橋式軟開關(guān),諧振類電路中,合適的漏源極電容有助于開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。而在PFC和反激類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),通過增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。
由于AlphaMOS的高速開關(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信號通過耦合放大的Cgd進(jìn)入驅(qū)動(dòng)信號。如圖11和圖12所示。
驅(qū)動(dòng)端加磁珠是種簡單合理的方法,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,確??梢酝ㄟ^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)對驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生影響,當(dāng)MOS上流過很大電流導(dǎo)致干擾突然增大時(shí),磁珠才起作用。
對于有圖騰柱驅(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,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)的誤開通和誤關(guān)斷??刂菩酒尿?qū)動(dòng)信號則要遠(yuǎn)離高壓高頻走線。
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