Каскодная конфигурация устраняет эффект Миллера в корректоре коэффициента мощности

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2019

Рабочая частота входной цепи корректора коэффициента мощности (ККМ) сетевого источника питания ограничена эффектом Миллера связанного с ней мощного транзистора. Этот эффект присущ любому транзистору, включенному в конфигурации с общим истоком (MOSFET) или общим эмиттером (биполярный транзистор).

В большинстве ККМ используется повышающий преобразователь, основанный на MOSFET с общим истоком или биполярном транзисторе с общим эмиттером. На Рисунке 1 показано типичное силовое ядро ККМ на базе мощного MOSFET (Q) с общим истоком. По сути, это усилитель с большим коэффициентом усиления, который управляет уровнем мощности, используя дроссель L для накопления и высвобождения энергии. При включении и выключении MOSFET напряжение на его стоке (V_DS) изменяется от почти нуля до выходного напряжения ККМ, которое обычно составляет от 200 до 400 В. Это напряжение периодически перезаряжает емкости сток-исток (C_DS) и сток-затвор (C_DG) МОП-транзистора, и влияет на емкость затвор-исток (C_GS) (Рисунок 2).

Рисунок 1.	В этой упрощенной схеме ККМ используется микросхема UC3854A и один мощный MOSFET.

Важно иметь в виду, что напряжения V_DS и V_DG (сток-затвор) находятся в противофазе с напряжением затвор-исток V_GS и управляющим напряжением E_IN. Это означает наличие отрицательной обратной связи от стока к затвору, которая и обусловливает эффект Миллера. Эффект Миллера увеличивает кажущуюся входную емкость MOSFET или биполярного транзистора.

Рисунок 2.	Входные емкости, напряжения и токи входной цепи на мощном MOSFET.

Способ решения проблемы эффекта Миллера показан на Рисунке 3. На нем изображен каскодный усилитель, в котором используется контроллер повышающего преобразователя U1 (хорошим вариантом может быть UC3854A от Texas Instruments), через резистор R управляющий МОП-транзистором Q1 с низким сопротивлением открытого канала. Конфигурация с общим истоком имеет очень низкий импеданс нагрузки стока, поскольку высоковольтный транзистор Q2 включен с общим затвором, а Q1 «видит» его исток. При работе напряжение стока транзистора Q1 изменяется всего лишь в пределах V_CC, в то время как нагрузка имеет очень низкий импеданс.

Рисунок 3.	В такой конфигурации с общим истоком схема ККМ представляет собой каскодное соединение MOSFET и использует контроллер повышающего преобразователя U1, который через резистор управляет низковольтным MOSFET.

Из-за очень низкого усиления напряжения транзистора Q1 это не приводит к возникновению эффекта Миллера. Верхний высоковольтный MOSFET Q2 включен по схеме с общим затвором, что исключает отрицательную обратную связь и, соответственно, эффект Миллера. Вот почему кажущаяся емкость Q2 – это просто емкость между затвором к истоком (и даже меньше из-за положительной обратной связи через емкость C_DS).

Во время работы Q1 и Q2 либо включены, либо выключены. Напряжение стока Q2 при быстром изменении влияет на цепи затвора и истока через емкости C_DG и C_DS. Диод D служит ограничителем напряжения истока Q2, соединяя его с V_CC, когда Q2 выключается, и его сток подтягивается к истоку через емкость C_DS.

Стоит отметить, что сток Q2 серьезно влияет на цепь затвора Q2, что может изменять напряжение V_CC. Чтобы не допустить этого, источник питания V_CC должен быть в состоянии противостоять изменениям напряжения как в сторону увеличения, так и в сторону понижения, для чего он должен обеспечивать существенные втекающие и вытекающие токи. В источнике напряжения V_CC можно использовать линейный регулятор LM78L15 и операционный усилитель, способный отдавать на выход ток около 1 А.

Материалы по теме