可消除米勒效应并提升pfc性能的折叠共源共栅结构

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1、可消除米勒效应并提升PFC性能的折叠共源共栅结构离线式电源的功率因数校正器(PFC)前端很容易受到工作频率限制的影响，而这种限制是相关的功率MOSFET的米勒效应所导致的。具有共源(MOSFET)或共发射极(双极晶体管)结构的所有晶体管都会产生米勒效应。大多数PFC都采用具有共源MOSFET或共发射极功率双极晶体管结构的升压转换器。图1是一个采用共源功率MOSFET(Q)的传统升压PFC内核。这个内核本质上是一个高增益放大器，可以通过在电感器L上存储和释放能量来控制功率。当MOSFET处于导通和断开状态时，它的漏极电压(VDS)在接近0V和PFC输出电压之间摆动，P

2、FC输出一般在200V～400V之间。该电压以一定周期对MOSFET的漏/源极电容(CDS)和漏/栅电容(CDG)进行再充电，并且影响栅/源极(CGS)电容(图2)。相对于VGS和EIN驱动电压，VDS和漏/栅极电压(VDG)是反相的，记住这一点至关重要。这意味着存在来自漏/栅极的负反馈，这就是米勒效应。米勒效应可加大MOSFET或双极晶体管的视在输入电容值。为了解米勒效应的影响，本文将分析米勒效应是如何影响升压晶体管的输入电流的，并同时忽略时序方法。MOSFET的内部栅极电阻(RG)(图2)可忽略不计，不在本次分析范围内。图1：这个简化的PFC电路采用UC3854

3、A和单电源MOSFET。假定MOSFET为负反馈放大器，如果对其施加一个较小的步进输入(EIN)，则式1成立：dVDG=dVGS-dVDS(1)其中，VDG=漏/栅极电压，VGS=栅/源极电压，VDS=漏/源极电压。它们的值都很小，因此将用这些值的微分形式进行分析，但是：dVDS=-dID×ZL(2)其中，dID=MOSFET漏极电流的变化，ZL=负载阻抗。图2：功率MOSFET输入电路的输入电容、电压和电流。那么：dID=S×dVGS(3)其中，S=MOSFET跨导的斜率。将表示dID的式3代入式2，得到：dVDS=-S×ZL×dVGS(4)这里，(S×ZL)表示

4、MOSFET放大器的增益G，减号“-”表示负反馈，因此，G=S×ZL(5)假定式5成立，则式4可表示成：dVDS=-G×dVGS(6)将式6代入式1，得到dVDS的表达式：dVDG=dVGS+G×dVGS=dVGS×(1+G)(7)图3：典型MOSFET电路的示波器曲线显示了漏极(通道1)和栅极(通道2)波形。如图2所示，输入电流(IIN)分成以下两部分：IGD=从MOSFET栅/漏极流过的电流IGS=从MOSFET栅/源极流过的电流：IIN=IGD+IGS(8)栅/漏极电荷(QDG)的变化产生电流dIGD，因此：IGD=dQDG/dt(9)所以，IGD=dQDG/

5、dt=CDG×dVDG/dt(10)或者假设式7成立，可得IGD=dQDG/dt=CDG×(1+G)×dVGS/dt(11)图4：在PFC电路的MOSFET的漏极(通道1)和栅极(通道2)波形的示波器曲线中，在漏极电压减小和栅极信号增加之间明显存在一个特殊的延迟。漏极电压的变化是由栅极信号仍为零时的谐振电路操作而引起的，因此这种变化不会影响栅极电压。并且，IGS=CGS×dVGS/dt(12)因此，IIN=CDG×(1+G)×dVGS/dt+CGS×dVGS/dt或者IIN=[CGS+CDG×(1+G)×dVGS/dt(13)其中，CGS+CDG×(1+G)=CAP

6、P是MOSFET的视在输入电容，该电容必须由输入电流IIN进行再充电。视在电容CAPP的值可以很高，因此输入电流的值也应该很高。图5：在这个共源结构中，PFC电路具有折叠共源共栅MOSFET，并采用升压控制器U1，以通过电阻器驱动低压MOSFET。所以，IIN=CAPP×dVGS/dt(14)例如，对于IXYSIXFR48N50Q，MOSFET与电路器件具有如下特性：CGS=7nFCDG=0.230nFS=30ZL=230Ω(PFCinductorinductance)ZL=230Ω(PFC电感器的电感)L=300µH(工作频率为125kHz)，所以G=S×ZL=3

7、0×236=7000并且CAPP=0.230×(1+7000)+7=1.617(µF)很明显，输入电流必须在工作频率为0.15V/ns或150V/µs时对该电容再充电。并且，从式14可以得到，IIN为242.5A。实际上，当电压VGS和VDS变化时，CDG和CDS的变化量可能超过一个数量级或者更多(当电压从0上升到40V时，电容大幅降低)。IIN的平均值可能不会很大，但是可能会出现10A～20A的瞬时电流。MOSFET驱动器无法产生这么大的电流，这种大电流会使MOSFET的栅极驱动产生大家熟知的“高原”特性(图3)。图6：采用共栅结构的MOSFET的等效电路图。