Alpha MOS在PFC應用中的注意事項與設計要點

Super-junction類型的高壓功率MOSFET具有更低的導通電阻，因此在通信電源，服務器電源，電源適配器以及臺式電腦電源和照明整流器等應用中得到廣泛的使用。Alpha MOS就是基于Super-junction技術開發的高壓功率MOSFET，其采用8英寸晶圓，明顯提升了器件性能和可靠性。

本文主要針對Alpha MOS在主動功率因素校正電路(PFC)中的設計要點和注意事項給出建議和解決方案。

1.Alpha MOS的工作特性

Alpha MOS的導通電阻x芯片面積(RdsA)性能指標比AOS平面工藝MOSFET高3.5倍，導通電阻x米勒電容(RdsxQgd)性能比平面工藝MOSFET高5.7倍。Alpha MOS是目前super-junction產品中同等級下FOM性能最高的，比同等級排名第二的高速開關型super-junction 產品高出45%(圖1)。

圖1：RdsxQgd和FOM(RdsxQg)的性能對比

由于Alpha MOS 具有開關速度快，結電容小的特點，對減少開關損耗，提高效率有很大幫助。但是在設計中需要更謹慎小心。與傳統的MOSFET相比，Alpha MOS需要更仔細的設計驅動電路和PCB布線，在并聯應用中也需要格外注意開關噪聲對驅動信號的影響。

Super-junction類型的MOSFET由于其特有的空間電荷結構，開關速度比傳統MOSFET快的多。圖2-圖5是600V/20A等級super-junction 產品的開關特性對比。competitor1為電源類產品應用最廣泛的一種super-junction型 MOSFET，competitor2則是另一種高速開關型的super-junction MOSFET。

圖2：門極驅動電荷對比

圖3：漏極電流與門極驅動關系對比

圖4：漏極電壓與門極驅動關系對比

圖5：結電容與漏極電壓關系對比

從對比中可以看出Alpha MOS主要的優勢在結電容，同等級的MOSFET結電容越小，在同樣驅動條件下開關速度就越快，在硬開關電路中，這是一個很大的優勢。但是過快的開關速度會產生很高的dv/dt和di/dt，這對于MOS的工作可靠性是有害的，同時也是電源系統中噪聲的來源。

Alpha MOS的Qg很小，對于減少驅動損耗是個優點。在實際應用中，Qg或者Ciss小的MOSFET，它的驅動信號更容易受主功率回路的干擾，特別在高壓應用中這個問題十分突出。如果對開關速度不加限制，過高的dv/dt 很容易耦合到驅動回路中，造成驅動信號紊亂，甚至導致MOS燒毀。

在大功率應用中，MOS的并聯往往是常用的手段。但是對于像Alpha MOS這樣的高速開關器件，并聯需要格外注意。開關速度越快的MOS，并聯時越容易導致工作不平衡，驅動參數選擇不當甚至會導致額外的干擾。

可以看出，Alpha MOS雖然性能優異但是對設計使用的要求也比較高。它并非如傳統的開關器件可以“拿來就用”。選擇合適的拓撲，仔細調節驅動參數，合理規劃PCB布局，都有助于增加電路的穩定性，避免不必要的重復勞動。

2．Alpha MOS驅動電路設計

PFC是電源拓撲中對MOS要求比較高的拓撲之一，這是因為：（1）PFC有比較寬的輸入電壓范圍。現代電源大都要求在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的控制環路速度比較慢，為了平滑100Hz/120Hz的交流整流紋波，PFC反應時間必須達到數十ms。如果控制電路和IC沒有專門進行優化，啟動過程往往會產生很大的沖擊電流，沖擊電流可達正常工作時的5-10倍；（3）在缺乏欠壓保護的PFC中，當交流電壓降到低于90V很多時，電路仍有可能繼續工作，這也會產生很高的開關峰值電流，導致干擾和應力超出正常范圍。圖6為典型的PFC電路，圖7為PFC啟動時，MOSFET漏極的沖擊電流示意圖。

圖6：典型的PFC電路

圖7：PFC啟動，MOSFET漏極的沖擊電流

MOSFET的驅動電路已經有很多成熟的方案。在實際應用中，出于成本考慮，很多驅動電路都采用比較簡單的芯片直驅方案。但是在大功率和性能要求比較高的應用中，驅動電路的設計對MOSFET的可靠性和系統的性能仍有很大影響。

圖8:MOSFET兩種基本驅動電路結構

在圖8中是最常見的MOSFET驅動電路，R1，R2是Rg，左圖R1+R2是驅動電壓上升時的充電電阻，R1單獨作為放電電阻，右圖R2單獨作為充電電阻，R1和R2并聯作為放電電阻。R3是驅動自放電電阻。C1和C2分別是外加的Cds和Cgs電容。

（1）dv/dt的控制策略和注意事項

影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開關時的電流峰值，以及驅動電路的Rg等。由于Alpha MOS的Ciss特別小，適當的增大Cgs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，但是根據經驗數據表明，通過改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過20V/ns，對應的di/dt不超過200A/ns，在實際電路中能有較好的工作狀態。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應用中存在寬輸入電壓范圍，輸入電壓跳變，以及響應時間慢等特點，容易出現比較大的沖擊電流。在這種應用中需要特別注意控制峰值電流，同樣的驅動參數下，峰值電流越大，開關的dv/dt和di/dt越大。要根據實際應用中的最大峰值電流來調整驅動參數。在設計中，要監測最大沖擊電流下的開關波形，以確定是否需要調整驅動參數，使MOSFET工作在較好的狀態。

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，諧振類電路中，合適的漏源極電容有助于開關狀態的優化。而在PFC和反激類電路中則需要小心處理，要和效率進行適當的平衡。在效率允許的范圍內，通過增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。

圖9：MOSFET關斷dv/dt與放電電阻關系

圖10：MOSFET關斷dv/dt與Cgs關系

（2）減少通過Cgd耦合對驅動的干擾

由于Alpha MOS的高速開關特性，以及極低的Ciss和Crss，Alpha MOS更容易受layout不良而導致驅動受到干擾。這種干擾往往是由于高頻高壓的走線和驅動走線靠的太近。使得漏極的高dv/dt信號通過耦合放大的Cgd進入驅動信號。如圖11和圖12所示。

圖11：PFC MOSFET驅動被干擾

圖12：PFC MOSFET驅動正常

（3）驅動端加磁珠

驅動端加磁珠是種簡單合理的方法，可以抑制驅動端受干擾產生的尖刺。建議將磁珠放置在盡可能靠近MOS驅動端的位置。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據手冊，確保可以通過至少3A的電流，其峰值抑制頻率應在30-100MHz。通常情況下磁珠并不會對驅動波形產生影響，當MOS上流過很大電流導致干擾突然增大時，磁珠才起作用。

（4）合理放置驅動元器件的位置

對于有圖騰柱驅動或者三極管輔助放電的驅動電路，起到輔助和增強作用的電路元件要盡可能靠近MOS。特別是地線，要直接單點與MOS的源級連接，一定要盡量避免在驅動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耦合到驅動回路中，造成驅動的誤開通和誤關