浅谈PFC电路MOS管应用电路振荡问题

关键词：PFC电路;MOS管;电路振荡

中图法分类号：TM133 文献标识码：A

1前言

计算机电源的根本作用是对交流电进行转换，以便为主机提供所需电力。所以，评价电源优劣的重要指标之一就是能源转换效率。能源转换效率即电源在进行电流转换时的能量剩余比例，影响能源转换效率的关键因素之一就是PFC电路（电源内部功率因素校正电路）。对于PFC电路来说，MOS管是重要组成部分，其由于具有多方面优势（例如较高阻抗、较低噪音、较低功耗等），所以应用范围较为广泛。本文主要概述PFC电路中MOS管在应用时发生振荡的基本原理以及由于MOS振荡造成损坏的原因，在此基础上提出针對性的解决措施，并且利用试验的方式证明这些措施的有效性和可靠性。通过本文，希望能够对PFC电路中MOS管的应用电路和参数设定提供一定的参考以及帮助。

2MOS管及其振荡原理分析

在实际应用中，为了能够解决PFC电路中产生的电磁干扰（电源EMI）等问题，一般采用在MOS管的D和S之间并联高压电容的方式，按照实际情况可以设定电容值在47～220pF范围，同时对PFC电路升压二极管D2并联1个高压电容（电容值设定在47～100pF范围）。因为内部栅极处于高电流、高速MOSFET中，所以该电阻值极小，如果没有外部电阻腐的作用，该谐振电路的品质因数会很大。但是一旦发生谐振，在栅极端子和源极端子中间就会产生很大的振荡电压，从而产生一定的寄生振荡效应。一般情况下，常规的MOS管在实际使用时（包括开关机、正常使用的情况下）并不会产生异常性问题，但是在MOS管寄生参数出现改变的情况下，一旦快速开关机时就容易出现非常明显的驱动波形振荡，若情况比较严重还会造成MOS管发生破损。其中，MOS管的驱动波形见后文。

通过研究分析能够得出一个重要的结论：MOS管产生的寄生参数对波形振荡具有非常重要的影响。为了证明此情况，可以利用电路的模拟以及仿真来进行试验。对于MOS管来说，不但拥有不同极之间的寄生电容（Cgd、Cds、Cgs），而且也会在多个极（包括G极、S极、D极等）之间串接寄生电感（L_g、L_d、L_s），其所串接的寄生电感主要受到MOS管引脚材质以及引脚长度的影响。若要有效解决电磁干扰等方面的问题，往往会在MOS管的D和S之间并联高压电容。为了能够进行有效的试验模拟，可以通过C_ds（ext）470pF进行说明，通过R_dson表示MOS管的导通电阻。

在开机的情况下涉及的回路表现情况为：第一，PFC电路二极管D2反向恢复电流通路顺序如下所示：D2经过L_d以及R_dson之后流到L_s;第二，在米勒平台中，C_ds、C_ds（ext）以及Cgd都处于放电状态，它们会将所放电量存储在相应的电感（包括L_g、L_d、L_s）中，不同的寄生电容放电回路有所不同。具体为：

①对于C_ds来说，主要利用R_dson进行放电，其中L_g、L_d、L_s并不参与到谐振中;

②对于C_ds（ext）来说，其放电回路主要包括如下几种：

通过以上回路能够得知最终的放电能量都会存储在L_g、L_s中。

通过上述分析能够得知，受到寄生电容、寄生电感、外接电容等方面的通路影响，若PFC电路中的MOS管进行多次开关机就容易造成驱动波形发生相应的振荡。在振荡较为严重的情况下，容易造成开关MOS管遭损坏。利用相应的仿真分析也能够得到相似的波形，具体的仿真结果如图1所示。

由于受到漏极线路、源极线路、栅极线路、接合线和其他线路中的杂散电感的影响，并联的MOSFET发生寄生振荡的概率比单个MOSFET发生寄生振荡的概率更大。但值得注意的是，该寄生振荡与漏源负载、续流二极管、电源、共用栅极电阻器和栅极驱动电路无关。通过上述分析，我们能够得出并联的MOSFET易形成高品质因数的谐振电路，并且该电路具有较高增益的反馈环路。

3MOS管振荡问题的解决措施

（1）为了避免由于电容原因造成二极管反向恢复时间增加的情况发生，尽量不要在PFC电路的升压二极管上增设电容，这能够避免MOS管发生较强振荡，防止损坏;对于寄生振荡情况同样需要避免，解决的措施为在选取MOSFET时尽可能使得Cds/Cgs的比值较低，gm值较小。

（2）为了能够充分发挥磁珠所具有的高频阻抗作用，我们可以在PFC电路中MOS管的漏极（D极）插入一个栅极电阻器R1或一个铁氧体磁珠，因为通过该操作能够减小谐振电路的品质因数，从而减小正反馈环路的增益。同时，通过试验也证实并联的每个MOSFET插入串联栅极电阻器可以有效防止寄生振荡，能够有效限制快速开关机过程中MOS管所造成的串联谐振问题。

为了有效解决PFC电路中MOS管所产生的EMC方面的问题，往往会在其漏极和源极（也就是D极和S极）之间设置高压电容（所并联的电容范围为47～220pF）。另外，为了防止和MOS管内寄生电感作用而产生振荡问题，要尽可能避免增设此种电容。如果为了解决EMC问题一定要增设此电容，那么也要确保其和MOS管的漏极磁珠一起使用。

通过上述措施，实测PFC电路的驱动波形情况如图2所示。

从图中可知，在采取相应措施之后，在进行快速开关机情况下，MOS管栅极波形的瞬态值已经去除掉了尖峰，这样就可以确保MOS管能够很好地满足快速开关机方面的需要，能够降低由于振荡所引发的损坏概率。

4结束语

对于PFC电路来说，一旦MOS管寄生参数发生变化，就容易引发相应的振荡，严重时甚至造成损坏。针对此情况，本文主要介绍了PFC电路中MOS管的相关内容，对于MOS管振荡原理进行了较为详细的介绍。通过相应的理论分析以及电路仿真对具体情况进行了模拟，从而得到相应的结论：MOS管不但存在寄生电容，同时也存在一定的寄生电感，该电感主要是由引脚材料和尺寸差异所产生。在此基础上，通过采取多种措施，可以降低由于寄生电容以及寄生电感振荡所造成的PFC电路中MOS管损坏的概率。

作者简介：

蒋兴彪（1982—），大专学历，助理工程师，主要研究方向：半导体元器件以及小型功能电路模块设计与生产工艺。