针对MOS管寄生参数振荡损坏电路仿真模拟方案
统pfc电路mos管在应用过程中产生振荡的机理，通过具体的案例分析了因mos振荡引起损坏的各种原因。
图1 pfc电路原理图
1 pfc电路工作原理
pfc（功率因数校正）主要是对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形。功率因数是指有功功率与视在功率的比值。功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。 开关电源 是1种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，因此需要pfc电路提高功率因数。目前的pfc有2种，被动式pfc（也称无源pfc）和主动式pfc（也称有源式pfc）。通常采用主动式pfc电路提高开关电源功率因数，如图1所示。
在上述电路中，pfc电感l1在mos管q1导通时储存能量，在开关管q1截止时，电感l1上感应出右正左负的电压，将导通时储存的能量通过升压二极管d2对大滤波电容c3充电，输出能量，只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。特别地，pfc电感l1上都并联着1个二极管d1，该二极管d1一方面降低对pfc电感和升压二极管的浪涌冲击，另一方面保护pfc开关管。通过此电路，从而实现输入电压和电流波形的同相位，大大提高对电能的利用效率。
图2 pfc mos驱动波形
2 mos管振荡原理分析
一般地，为了改善pfc电路引起的电源emi（电磁干扰），通常在pfc mos管的d、s间并联1个高压电容，容值一般为（47~220）pf，在pfc升压二极管d2上并联1个高压电容，一般取值为（47~100） pf。对普通的mos管应用而言，在开关机及正常使用过程中，不会出现异常。但是当mos管寄生参数发生变化时，且在快速开关机过程中，就会出现明显的驱动波形振荡（如图2），严重时引起mos管的损坏。
通过对pfc mos管进行测试和深入分析发现，mos管的寄生参数对振荡起着关键作用。通过电路实验模拟和仿真，证实了这一现象产生的根本原因。图3为pfc mos管的等效电路图。
图3 为pfc mos管的等效电路图
mos管除了3个极之间的cgd、cds和cgs寄生电容外，在g极、d极和s极分别串有寄生电感lg、ld和ls，这些寄生电感主要由mos管的引脚材质和引脚长度决定，它们是真实存在的。当为了改善电路的emi时，通常在mos管d、s间并联高压电容，在此为了模拟实验，采用cds（ext） 470 pf来说明，mos管导通电阻为rdson。在开机过程中，参与的回路说明如下：
1）pfc二极管d2的反向恢复电流通路为：d2经ld和rdson，再到ls。
2）在米勒平台期间，cds、cds（ext）及cgd放电，放电能量储存在ld、ls和lg中，放电回路分别为：
①cds通过rdson放电，ld、ls和lg不参与谐振；
②cds（ext） 放电回路分别为：
cds（ext）→ld→rdson→ls→cds（ext），和
cds（ext）→ld→cgd→cgs→ls→cds（ext），及
cds（ext）→ld→cgd→lg→pfc ic→cds（ext）
从上述回路可以看出，放电能量分别储存在ld、ls和lg中。
③ cgd放电回路为：
cgd→rdson→cgs→cgd，和
cgd→rdson→ls→pfc ic→lg→cgd
从上述回路可以看出，放电能量分别储存在ls和lg中。
由于上述寄生电容和寄生电感及外接电容cds（ext）的通路存在，在pfc mos管反复开关机过程中，引起驱动波形的振荡，严重时，引起开关mos的损坏。
通过仿真电路，也可模拟出类似的波形，其仿真结果如图4。
图4（a） pfc mos仿真参数图
图4（b） pfc mos仿真波形
3 mos管振荡问题解决措施及效果确认
针对pfc mos在使用过程中振荡引起的损坏问题，结合上述mos管振荡机理的分析，在实际使用中，采取的对策如下。
1）在pfc升压二极管上尽量不增加电容，防止因该电容引起二极管反向恢复时间加大，从而引起mos管振荡加剧，造成损坏。
2）在pfc mos管的漏极（d极）串联磁珠，由于磁珠表现为高频阻抗特性，用于抑制快速开关机时mos引起的串联谐振。
3）为了解决因pfc mos引起的emc问题，通常在pfc mos管的漏-源极（d-s极）间并联（47~220） pf的高压电容，为了避免与mos内部的寄生电感引起振荡，尽量不增加此电容。若因emc必需增加时，需与mos管漏极磁珠同时使用。
具体原理图如图5所示。
图5 改善后的pfc原理图
从图6实际测试波形可以看出，采用上述措施后，在快速开关机时，mos管栅极波形消除了瞬态尖峰，从而保证mos管快速开关机时的应力要求，避免因振荡造成的损坏问题。
图6（a） 改善前pfc驱动波形（绿色）
图6（b） 改善后pfc驱动波形（绿色）
4 结语
本文针对mos管寄生参数引起振荡造成损坏问题，进行了理论分析和电路仿真模拟，得出了mos管除了寄生电容外，还存在由于mos引脚材质和长短引起的寄生电感，并通过实际的案例进行了验证，证实了寄生电感的存在。通过增加切实有效的对策，避免了因寄生电容和寄生电感振荡引起的pfc mos损坏，具有极大的设计参考意义。
参考文献：
［1］ 钟炎平。电力电子电路设计［m］。武汉：华中科技大学出版社，2010.
［2］ 康华光。电子技术基础［m］。北京：高等教育出版社，2009.
［3］ 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计。北京：电子工业出版社，2004.
农药检测仪的工作原理及性能介绍
AI医疗才起步 AI在医疗领域作为帮手的角色会越来越重要
时钟周期/机器周期/指令周期/12M晶振和1us有啥关系
USB外接电源与锂电池自动切换电路设计
IP知识百科之什么是SYN Flood
针对MOS管寄生参数振荡损坏电路仿真模拟方案
Android 11 DP2证实附近文件分享功能 与AirDrop竞争
白色LED的恒流驱动
深入推动国家人工智能发展战略在北京落实落地
指导分享高密度光纤配线架安装方法
下一代WiFi7正在路上，最高传输速率是WiFi 6的三倍之多
荣耀新旗舰Magic 2国内首发,麒麟980+六颗摄像头
11名中国航天员飞天名场面 回顾第一位飞天航天员是谁
ide硬盘接口图 sata硬盘接口图 SCSI硬盘接口图
深度解读电机磁力中心线对正状态
北京联通联合华为成功完成全球首个5G 承载随流检测方案iFIT试点
E-axle新型高功率密度驱动电机系统介绍
发光二极管的主要分类及应用领域
江苏交通抢抓政策“风口”,车联网领域率先示范试点
随着激光电视的出现 屏幕尺寸增大趋势正将迎来加速期
图1 pfc电路原理图
1 pfc电路工作原理
pfc（功率因数校正）主要是对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形。功率因数是指有功功率与视在功率的比值。功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。 开关电源 是1种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，因此需要pfc电路提高功率因数。目前的pfc有2种，被动式pfc（也称无源pfc）和主动式pfc（也称有源式pfc）。通常采用主动式pfc电路提高开关电源功率因数，如图1所示。
在上述电路中，pfc电感l1在mos管q1导通时储存能量，在开关管q1截止时，电感l1上感应出右正左负的电压，将导通时储存的能量通过升压二极管d2对大滤波电容c3充电，输出能量，只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。特别地，pfc电感l1上都并联着1个二极管d1，该二极管d1一方面降低对pfc电感和升压二极管的浪涌冲击，另一方面保护pfc开关管。通过此电路，从而实现输入电压和电流波形的同相位，大大提高对电能的利用效率。
图2 pfc mos驱动波形
2 mos管振荡原理分析
一般地，为了改善pfc电路引起的电源emi（电磁干扰），通常在pfc mos管的d、s间并联1个高压电容，容值一般为（47~220）pf，在pfc升压二极管d2上并联1个高压电容，一般取值为（47~100） pf。对普通的mos管应用而言，在开关机及正常使用过程中，不会出现异常。但是当mos管寄生参数发生变化时，且在快速开关机过程中，就会出现明显的驱动波形振荡（如图2），严重时引起mos管的损坏。
通过对pfc mos管进行测试和深入分析发现，mos管的寄生参数对振荡起着关键作用。通过电路实验模拟和仿真，证实了这一现象产生的根本原因。图3为pfc mos管的等效电路图。
图3 为pfc mos管的等效电路图
mos管除了3个极之间的cgd、cds和cgs寄生电容外，在g极、d极和s极分别串有寄生电感lg、ld和ls，这些寄生电感主要由mos管的引脚材质和引脚长度决定，它们是真实存在的。当为了改善电路的emi时，通常在mos管d、s间并联高压电容，在此为了模拟实验，采用cds（ext） 470 pf来说明，mos管导通电阻为rdson。在开机过程中，参与的回路说明如下：
1）pfc二极管d2的反向恢复电流通路为：d2经ld和rdson，再到ls。
2）在米勒平台期间，cds、cds（ext）及cgd放电，放电能量储存在ld、ls和lg中，放电回路分别为：
①cds通过rdson放电，ld、ls和lg不参与谐振；
②cds（ext） 放电回路分别为：
cds（ext）→ld→rdson→ls→cds（ext），和
cds（ext）→ld→cgd→cgs→ls→cds（ext），及
cds（ext）→ld→cgd→lg→pfc ic→cds（ext）
从上述回路可以看出，放电能量分别储存在ld、ls和lg中。
③ cgd放电回路为：
cgd→rdson→cgs→cgd，和
cgd→rdson→ls→pfc ic→lg→cgd
从上述回路可以看出，放电能量分别储存在ls和lg中。
由于上述寄生电容和寄生电感及外接电容cds（ext）的通路存在，在pfc mos管反复开关机过程中，引起驱动波形的振荡，严重时，引起开关mos的损坏。
通过仿真电路，也可模拟出类似的波形，其仿真结果如图4。
图4（a） pfc mos仿真参数图
图4（b） pfc mos仿真波形
3 mos管振荡问题解决措施及效果确认
针对pfc mos在使用过程中振荡引起的损坏问题，结合上述mos管振荡机理的分析，在实际使用中，采取的对策如下。
1）在pfc升压二极管上尽量不增加电容，防止因该电容引起二极管反向恢复时间加大，从而引起mos管振荡加剧，造成损坏。
2）在pfc mos管的漏极（d极）串联磁珠，由于磁珠表现为高频阻抗特性，用于抑制快速开关机时mos引起的串联谐振。
3）为了解决因pfc mos引起的emc问题，通常在pfc mos管的漏-源极（d-s极）间并联（47~220） pf的高压电容，为了避免与mos内部的寄生电感引起振荡，尽量不增加此电容。若因emc必需增加时，需与mos管漏极磁珠同时使用。
具体原理图如图5所示。
图5 改善后的pfc原理图
从图6实际测试波形可以看出，采用上述措施后，在快速开关机时，mos管栅极波形消除了瞬态尖峰，从而保证mos管快速开关机时的应力要求，避免因振荡造成的损坏问题。
图6（a） 改善前pfc驱动波形（绿色）
图6（b） 改善后pfc驱动波形（绿色）
4 结语
本文针对mos管寄生参数引起振荡造成损坏问题，进行了理论分析和电路仿真模拟，得出了mos管除了寄生电容外，还存在由于mos引脚材质和长短引起的寄生电感，并通过实际的案例进行了验证，证实了寄生电感的存在。通过增加切实有效的对策，避免了因寄生电容和寄生电感振荡引起的pfc mos损坏，具有极大的设计参考意义。
参考文献：
［1］ 钟炎平。电力电子电路设计［m］。武汉：华中科技大学出版社，2010.
［2］ 康华光。电子技术基础［m］。北京：高等教育出版社，2009.
［3］ 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计。北京：电子工业出版社，2004.
农药检测仪的工作原理及性能介绍
AI医疗才起步 AI在医疗领域作为帮手的角色会越来越重要
时钟周期/机器周期/指令周期/12M晶振和1us有啥关系
USB外接电源与锂电池自动切换电路设计
IP知识百科之什么是SYN Flood
针对MOS管寄生参数振荡损坏电路仿真模拟方案
Android 11 DP2证实附近文件分享功能 与AirDrop竞争
白色LED的恒流驱动
深入推动国家人工智能发展战略在北京落实落地
指导分享高密度光纤配线架安装方法
下一代WiFi7正在路上，最高传输速率是WiFi 6的三倍之多
荣耀新旗舰Magic 2国内首发,麒麟980+六颗摄像头
11名中国航天员飞天名场面 回顾第一位飞天航天员是谁
ide硬盘接口图 sata硬盘接口图 SCSI硬盘接口图
深度解读电机磁力中心线对正状态
北京联通联合华为成功完成全球首个5G 承载随流检测方案iFIT试点
E-axle新型高功率密度驱动电机系统介绍
发光二极管的主要分类及应用领域
江苏交通抢抓政策“风口”,车联网领域率先示范试点
随着激光电视的出现 屏幕尺寸增大趋势正将迎来加速期