PFC電路旁路二極管作用及MOSFET常見失效模式

中大功率的ACDC電源都會采用有源功率因數校正PFC電路來提高其功率因數，減少對電網的干擾。在PFC電路中，常用的結構是BOOST電路，在實際的使用中，通常會加一個旁路二級管D2，如圖1所示。旁路二級管D2的作用，不同的資料，不同的工程師，都有不同的解釋，下面逐一分析說明。

圖1：PFC電路
1、減少PFC的二極管D1的浪涌電流，因為D1是快速恢復二極管，抗浪涌電流的能力比較差。
這種解釋似乎有一點道理，D1是快速恢復二極管，承受浪涌電流的能力較弱，D2是普通的二極管，承受浪涌電流的能力很強，但是，在實際應用中，如果不加旁路二級管D2，D1也很少因為浪涌電流發生損壞，因為輸出二極管D1和PFC電感串聯，PFC電感較大，電感固有的特性就是其電流不能突變，PFC電感對輸入的浪涌電流具有限流作用，因此，旁路二級管D2的主要作用不是為了保護輸出二極管D1。
2、提高系統通過雷擊測試的能力。
在實際的應用中，會經常發現：相對而言，如果不加旁路二級管D2，系統不容易通過雷擊測試，那么，這說明，加旁路二級管D2，的確有提高系統通過雷擊測試的作用。
系統在雷擊測試的過程中，產生的能量通過浪涌電流的形式，經過旁路二級管D2，存儲到大的輸出電容。如果沒有旁路二級管D2，那么這些浪涌電流就要流過PFC電感，從而有可能導致PFC電感飽和。
PFC電感飽和時，功率MOSFET開通，特別是在輸入正弦波的值峰點附近，就會產生非常大的峰值電流，因為控制IC的電流檢測通常有一定的延時，PFC電感飽和時，產生的di/dt非常大，即使是電流檢測的延時時間非常小，也會導致非常大的峰值電流，導致功率MOSFET因為過流而損壞。
3、減少開機瞬間PFC電感和功率MOSFET的峰值電流，防止PFC電感飽和，損壞功率MOSFET。
這種解釋的理由是：在開機的瞬間，輸出大電容的電壓尚未建立，由于要對大電容充電，通過PFC電感的電流相對比較大，在電源開關接通的瞬間，特別是在輸入正弦波的峰值附近開通，在對輸出大電容充電過程中PFC電感有可能會出現飽和，如果此時PFC電路工作，流過功率MOSFET的電流非常大，從而損壞功率MOSFET。
增加旁路二級管D2后，旁路二級管D2對輸出大電容充電，輸出電壓建立的比較早，PFC電感能夠很快的進行去磁工作，就可以減小流過PFC電感的電流，防止PFC電感飽和，降低功率MOSFET的峰值電流，避免損壞功率MOSFET。
這種解釋的理由并不完全有道理：
增加旁路二極管D2，的確可以減小流過PFC電感和功率MOSFET的峰值電流，但是，如果沒有旁路二極管D2，功率MOSFET開始工作時，即使是在輸入正弦波的峰值附近開通功率MOSFET，由于控制IC都具有軟起動功能，功率MOSFET的占空比一開始不是工作在的狀態，而是從值慢慢的增加， PFC的過電流保護電路OCP也限制功率MOSFET工作的峰值電流。
軟起動通常在輸出電壓正常后才結束，輸出電壓在軟起動時間沒有結束的時候，已經高于輸入電壓，在PFC電感和功率MOSFET達到系統設定的工作電流之前，PFC電感已經進入到去磁工作，PFC電感很難進入飽和或進入深度的飽和。只要PFC電感的電流不走飛（飽和）或不深度走飛（深度飽和），那么，功率MOSFET的工作就是安全的。
那么原因到底是什么呢？
實際應用發現，不加旁路二級管，如果功率MOSFET發生失效，那么，發生失效的條件通常是：輸出滿負載，系統進行老化測試、輸入掉電測試以及輸入AC電源插拔的過程中。

在上述條件下，輸入電壓瞬態的降到較低值或0V，由于輸出滿載，PFC輸出大電容的電壓VBUS迅速降低到非常低的值，PFC控制IC的VCC的電容大，VCC的電流小，因此，VCC的掉電速度遠遠小于VBUS的掉電速度，VCC的掉電速度慢，只要VCC高于PFC控制IC的VCC的UVLO，那么PFC控制IC仍然在工作。

圖2：PFC控制IC的VCC的UVLO電壓

圖3：輸入AC掉電PFC控制IC的VCC電壓
當VCC的值比UVLO稍高一點時，輸入電源AC再加電，PFC控制IC沒有軟起動過程直接工作，由于輸出電壓比較低，特別是在輸入正弦波峰值點附近開通功率MOSFET，PFC電感和功率MOSFET的工作峰值電流非常大，如果電感的飽和電流余量不夠，或PFC的電流取樣電阻選取得過小時，PFC電感有可能發生飽和，功率MOSFET在大電流的沖擊下，就有可能發生損壞。
同時，功率MOSFET的VGS電壓比較低，約等于PFC控制IC的VCC的UVLO電壓，如果功率MOSFET的飽和電流比較低，就有可能會進入線性區工作，更容易導致功率MOSFET線性區工作而損壞。
如果電流取樣電阻RS在功率MOSFET的驅動回路中，就是PFC控制IC的地，沒有直接連接到功率MOSFET的源極S，功率MOSFET的VGS實際電壓為：
VGS=VCC-VDRH-VRS

其中，VDRH為PFC控制IC內部圖騰柱上管的導通壓降。

圖4：PFC的電流取樣電路
高峰值電流導致RS的壓降VRS變大，功率MOSFET的VGS電壓會進一步降低，更容易進入線性區工作。

系統環境的溫度升高時，VDRH導通壓降會增加，VGS電壓也會進一步降低，增加功率MOSFET進入線性區工作風險。

(a)重起動波形

(b)重起動放大波形

(c)重起動線性區波形

圖5：輸入AC掉電重起動的波形

圖5的波形可以看到，功率MOSFET開通后，VDS電壓沒有降到0時，在比較高的電壓下就關斷，非常明顯的進入到線性區工作。

圖6：PFC功率MOSFET線性區失效圖（AOS松江FA團隊提供）
因此，加旁路二極管D2主要的作用是：
在輸入掉電重起動過程中，PIC控制IC的VCC大于UVLO，在沒有軟起動的條件下，降低PFC電感和功率MOSFET的峰值電流，從而防止功率MOSFET發生大電流的沖擊損壞，以及線性區工作損壞。
PFC電感飽和電流的余量不夠，在大電流飽和時，功率MOSFET更容易發生損壞。
大電流導致電流取樣電阻RS的電壓降增加，溫度升高導致PFC控制IC內部圖騰柱上管的導通壓降會增加，都會進一步降低實際VGS驅動電壓，增加功率MOSFET進入線性區工作損壞的幾率。
如何防止功率MOSFET發生大電流的沖擊損壞，以及線性區工作損壞？
(1) 加旁路二級管D2
輸入電源AC再加電時，通過旁路二級管D2迅速的給輸出電壓充電，減小功率MOSFET的導通時間，減小的工作峰值電流。
(2) 適當增大PFC的電流取樣電阻RS
增大PFC的電流取樣電阻，可以減小的工作峰值電流，但是要保證系統能夠在全電壓的范圍內以及滿載條件下，能夠正常的工作和起動。
(3) 校核PFC電感的飽和電流
確保：PFC電感的飽和電流大于電流取樣電阻所設定的電流值，同時要考慮到電流取樣電路的延時，PFC電感的飽和電流有一定的余量。
實際應用中，很多工程師經常不校核PFC電感的飽和電流和電流取樣電阻所設定的電流值的這種關系，OCP過流保護就起不到真正的作用。
(4) 校核功率MOSFET的飽和電流

不同的PFC控制器，VCC具有不同的UVLO值，檢查所用的PFC控制器的VCC的UVLO值，然后，VGS=UVLO，校核功率MOSFET的VGS=UVLO的飽和電流IDUVLO，保證IDUVLO大于電流取樣電阻所設定的電流值，同時具有一定的余量，而且，這個電流值是在實際工作結溫條件下的飽和電流。超結結構高壓功率MOSFET的飽和電流通常比較低，而且，隨結溫的增大，其飽和電流降低，功率MOSFET飽和電流如圖7所示。

(a) 高壓MOSFET的導通區特性

(b) 高壓MOSFET的轉移特性

(c) 高壓MOSFET的柵極電荷特性

圖7：功率MOSFET飽和電流
PFC控制器的VCC的UVLO值越低，功率MOSFET結溫的飽和電流越低，在上述的條件下，發生線性區失效的可能性越大。圖7曲線非常詳細的給出功率MOSFET的飽和電流，特別是圖7(b)的飽和電流和溫度曲線，非常重要。
設計的原則是：功率MOSFET飽和電流IDUVLO > PFC電感的飽和電流 > 取樣電阻設定的電流。
在正常起動過程中，為什么功率MOSFET沒有進入線性區工作？因為，在系統起動過程中，PFC控制IC的VCC的開始工作電壓高于UVLO電壓，所以，MOSFET不容易進入線性區工作。