PFC电路旁路二极管作用及MOSFET常见失效模式有哪些
刘松 刘瞻 卢森茂 艾结华
中大功率的acdc电源都会采用有源功率因数校正pfc电路来提高其功率因数，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，通常会加一个旁路二级管d2，如图1所示。旁路二级管d2的作用，不同的资料，不同的工程师，都有不同的解释，下面逐一分析说明。
图1：pfc电路
1、减少pfc的二极管d1的浪涌电流，因为d1是快速恢复二极管，抗浪涌电流的能力比较差。
这种解释似乎有一点道理，d1是快速恢复二极管，承受浪涌电流的能力较弱，d2是普通的二极管，承受浪涌电流的能力很强，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。
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电感饱和时，功率mosfet开通，特别是在输入正弦波的值峰点附近，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。
3、减少开机瞬间pfc电感和功率mosfet的峰值电流，防止pfc电感饱和，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电感有可能会出现饱和，如果此时pfc电路工作，流过功率mosfet的电流非常大，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。
那么原因到底是什么呢？
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较低值或0v，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，只要vcc高于pfc控制ic的vcc的uvlo，那么pfc控制ic仍然在工作。
图2：pfc控制ic的vcc的uvlo电压
图3：输入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pfc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。
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：
vgs=vcc-vdrh-vrs
其中，vdrh为pfc控制ic内部图腾柱上管的导通压降。
图4：pfc的电流取样电路
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。
系统环境的温度升高时，vdrh导通压降会增加，vgs电压也会进一步降低，增加功率mosfet进入线性区工作风险。
(a)重起动波形
(b)重起动放大波形
(c)重起动线性区波形
图5：输入ac掉电重起动的波形
图5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。
图6：pfc功率mosfet线性区失效图（aos松江fa团队提供）
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。
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。
如何防止功率mosfet发生大电流的冲击损坏，以及线性区工作损坏？
(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的最大导通时间，减小最大的工作峰值电流。
(2) 适当增大pfc的电流取样电阻r****s
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) 校核pfc电感的饱和电流
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。
(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iduvlo，保证iduvlo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。 **超结结构高压功率mosfet的饱和电流通常比较低** ，而且， **随结温的增大，其饱和电流降低** ，功率mosfet饱和电流如图7所示。
(a) 高压mosfet的导通区特性
(b) 高压mosfet的转移特性
(c) 高压mosfet的栅极电荷特性
图7：功率mosfet饱和电流
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7曲线非常详细的给出功率mosfet的饱和电流，特别是图7(b)的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iduvlo > 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。
统信软件宣布书生电子公司两款产品已完成与UOS的适配工作 测试结果显示可平稳运行
电子制造服务提供商易德龙发布2022第一季度报告
FPGA从Xilinx的7系列学起（14）
如何创建标准的RT-Thread项目工程？详细过程分析概述
TynecastleTech团队为初学者提供的鱼菜共生系统
PFC电路旁路二极管作用及MOSFET常见失效模式有哪些
加密货币热潮的三大规则
原位总磷总氮分析仪
ICL7106,ICL7107 3 1/2位A/D转换器
什么是数据库技术_数据库技术的基础知识
工控机对于工作的环境温度有什么要求
AI把用户逼上公有云 信息智能化趋势明显
数据备份与数据归档冷热状态的区别
百度公布青松计划细则：员工父母可不限年龄不限地域享受公司医保
曝谷歌已开始在其他OEM手机上对Stadia进行测试优化
所有C语言数组和指针的知识都在这里了！|周立功手把手教你学C语言编程
华为余承东：Mate50有“向上捅破天”技术
京东方推出国内首款透明LCD屏
张忠谋：半导体产业不是寒冬
DSP与MSP430的电力系统故障录波器设计
中大功率的acdc电源都会采用有源功率因数校正pfc电路来提高其功率因数，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，通常会加一个旁路二级管d2，如图1所示。旁路二级管d2的作用，不同的资料，不同的工程师，都有不同的解释，下面逐一分析说明。
图1：pfc电路
1、减少pfc的二极管d1的浪涌电流，因为d1是快速恢复二极管，抗浪涌电流的能力比较差。
这种解释似乎有一点道理，d1是快速恢复二极管，承受浪涌电流的能力较弱，d2是普通的二极管，承受浪涌电流的能力很强，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。
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电感饱和时，功率mosfet开通，特别是在输入正弦波的值峰点附近，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。
3、减少开机瞬间pfc电感和功率mosfet的峰值电流，防止pfc电感饱和，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电感有可能会出现饱和，如果此时pfc电路工作，流过功率mosfet的电流非常大，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。
那么原因到底是什么呢？
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较低值或0v，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，只要vcc高于pfc控制ic的vcc的uvlo，那么pfc控制ic仍然在工作。
图2：pfc控制ic的vcc的uvlo电压
图3：输入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pfc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。
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：
vgs=vcc-vdrh-vrs
其中，vdrh为pfc控制ic内部图腾柱上管的导通压降。
图4：pfc的电流取样电路
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。
系统环境的温度升高时，vdrh导通压降会增加，vgs电压也会进一步降低，增加功率mosfet进入线性区工作风险。
(a)重起动波形
(b)重起动放大波形
(c)重起动线性区波形
图5：输入ac掉电重起动的波形
图5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。
图6：pfc功率mosfet线性区失效图（aos松江fa团队提供）
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。
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。
如何防止功率mosfet发生大电流的冲击损坏，以及线性区工作损坏？
(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的最大导通时间，减小最大的工作峰值电流。
(2) 适当增大pfc的电流取样电阻r****s
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) 校核pfc电感的饱和电流
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。
(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iduvlo，保证iduvlo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。 **超结结构高压功率mosfet的饱和电流通常比较低** ，而且， **随结温的增大，其饱和电流降低** ，功率mosfet饱和电流如图7所示。
(a) 高压mosfet的导通区特性
(b) 高压mosfet的转移特性
(c) 高压mosfet的栅极电荷特性
图7：功率mosfet饱和电流
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7曲线非常详细的给出功率mosfet的饱和电流，特别是图7(b)的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iduvlo > 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。
统信软件宣布书生电子公司两款产品已完成与UOS的适配工作 测试结果显示可平稳运行
电子制造服务提供商易德龙发布2022第一季度报告
FPGA从Xilinx的7系列学起（14）
如何创建标准的RT-Thread项目工程？详细过程分析概述
TynecastleTech团队为初学者提供的鱼菜共生系统
PFC电路旁路二极管作用及MOSFET常见失效模式有哪些
加密货币热潮的三大规则
原位总磷总氮分析仪
ICL7106,ICL7107 3 1/2位A/D转换器
什么是数据库技术_数据库技术的基础知识
工控机对于工作的环境温度有什么要求
AI把用户逼上公有云 信息智能化趋势明显
数据备份与数据归档冷热状态的区别
百度公布青松计划细则：员工父母可不限年龄不限地域享受公司医保
曝谷歌已开始在其他OEM手机上对Stadia进行测试优化
所有C语言数组和指针的知识都在这里了！|周立功手把手教你学C语言编程
华为余承东：Mate50有“向上捅破天”技术
京东方推出国内首款透明LCD屏
张忠谋：半导体产业不是寒冬
DSP与MSP430的电力系统故障录波器设计