转单级PFC电源浪涌设计分享

电源

SJ-MOS的低Rds（on）、低温升，越来越受到电源工程师的喜爱。
用过SJ-MOS的同志可能比较清楚，它的抗浪涌能力要差一些。尤其是在单极PFC-LED电源上。

本帖将详细分析浪涌失效机理和怎么样高效提高浪涌能力。

小编:下图作为活动页面展示用，楼主可以自行调换，谢谢。

首先介绍一下什么是浪涌。浪涌一般是在开关瞬态或者雷电瞬态过程中产生的。

浪涌测试的官方叫法是“浪涌（冲击）抗扰度实验”；
测试标准参考IEC61000-4-5，或者GB/T 17626.5；该标准里面有详细阐述了有关浪涌的知识。

我们在测电源浪涌时，由浪涌发生器输出的波形是一种组合波：1.2/50us电压波（开路电压）和8/20us电流波（短路电流），发生器的等效阻抗是2欧姆，用开路电压峰值除以短路电流峰值就是该等效阻抗。具体波形参考下面两图：
1.2/50us开路电压波，1.2us是波形的上升时间，具体指波形从10%上升到90%所用的时间，50us是半峰值时间，具体指波形上升至50%到波形下降至50%的时间，用示波器测量设备的开路波形就是这样的。

8/20us短路电流波，8us是波形的上升时间，20us是半峰值时间，具体定义同上，将设备的输出端短路，测试短路电流就是这样的波形。

这几个时间及开路电压峰值、短路电流的误差见下表：

由表可见，该试验标准规定的误差还是比较大的，打浪涌曾经有这样的经历：一个EUT在自己的实验室打浪涌过了，但在别人家实验室，同等级的浪涌就是过不了，浪涌设备还是同一个厂家的，很奇怪，
最后对比两个设备的波形发现，一个偏上限，一个偏下限，都没有超出标准范围。其实标准范围大了，方便了造设备的。

今天刚给一个LED电源打完4kV浪涌，附上4kV浪涌时，MOS管的波形，供参观，下次再见：

CH1-深蓝色-VGS波形，
CH2-浅蓝色-VDS波形，最大816V，
CH3-紫色-IDS波形，最大10.4A，
CH4-绿色-L线电流波形，最大800A。
LED电源-单级PFC结构，由于没有大电解，在打浪涌时，浪涌能量很容易传递到功率MOS上。浪涌对MOS管的冲击失效一般有两种失效模式：
1-浪涌引起MOSFET 电流应力超过额定值，导致失效；
根据伏秒平衡定律，反激开关电源变压器电感：

公式1

其中Von=Vin，D为占空比，r=0.3-0.5，fsw指开关频率，IL是电感电流。Von一般最大277Vac或者300Vac，但是在浪涌脉冲测试时，由于母线电压突然升高，超过设计输入电压最高值1.2倍或者更多，变压器电感会迅速出现饱和。下图1中紫色电流在开关周期后阶段出现饱和迹象，MOSFET电流应力迅速上升达到7.32A。在正常开关周期，MOSFET IDS=3A。器件在高电流、高电压应力发生雪崩，MOSFET失效，表现为短路，引起开关电源输入端保险丝，整流桥和驱动IC失效。

图1浪涌测试紫色MOSFET IDS 黄色是VDS 图2浪涌测试紫色VDS电压 ,蓝色是IDS

SJ-MOSFET 0.3Ω/700V 10A80E VD-MOSFET EAS=454mJ

2-浪涌引起MOSFET 电压应力超过极限值，导致失效

开关电源在浪涌测试时，由于前端浪涌吸收器件(压敏电阻等)规格参数偏小导致母线电压迅速爬升，进而导致MOSFET电压应力迅速超过额定电压1.1-1.2倍，MOSFET器件会迅速进入雪崩，IDS电流瞬间变大，导致器件功耗急剧增加，巨大的功耗转换为温升超过芯片极限温度而引起失效。如图2所示，60W 单级PFC LED电源， 1.5KV 差模浪涌测试失效波形。结合图3更准确说明此类问题，图3所示黄色曲线电压低于680V时，MOSFET处在关断状态，IDS几乎等于0；一旦超过680V，MOS管反向击穿，电压被嵌位，IDS电压迅速爬升，最终器件由于热量失控而导致失效。

图316N65A VD-MOSFET EAS=1000mJ 图416N65A 规格书极限参数 EAS=1000mJ

黄色线是MOSFETVDS电压，蓝色是IDS

浪涌失效瞬间，MOSFET短路，随后继续流过大电流，烧毁其他器件，尤其是采样电阻最易烧坏，再烧断保险司或者其他线路，使电源与输入断开。

一般都是芯片被严重烧伤，见下图。

图6 烧伤芯片.png (193.03 KB, 下载次数: 18)
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图6

2018-11-21 11:29 上传

图5 浪涌失效芯片外观图6 浪涌失效芯片外观

这次就写这么多，写得不好，望多多指教，下次分享如何提高电源的防浪涌等级