《電子技術(shù)應(yīng)用》
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在升壓變換器中利用新型MOSFET減少開關(guān)損耗
摘要: 升壓變換器通常應(yīng)用在彩色監(jiān)視器中,。為提高開關(guān)電源的效率,,設(shè)計(jì)者必須選擇低開關(guān)損耗的MOSFET,。在升壓變換器中,利用QFET新型MOSFET能夠有效地減少系統(tǒng)損耗,。
Abstract:
Key words :

1引言

  在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,效率是一個(gè)關(guān)鍵性的參數(shù),。輸入和輸出濾波電容器,、變壓器磁芯的幾何圖形與特性及開關(guān)器件等,都會(huì)影響系統(tǒng)的效率,。為減小濾波電容和磁性元件的尺寸,,開關(guān)電源的頻率在不斷提高。因此,,功率器件的開關(guān)損耗在整個(gè)系統(tǒng)損耗中占有更大的比重,。選用低開關(guān)損耗的MOSFET,是提高SMPS效率的重要環(huán)節(jié),??旖荩ㄓ置赏┌雽?dǎo)體新發(fā)明的QFET系列,是新一代功率MOSFET,,用其可以獲得低開關(guān)損耗,。本文回顧了升壓型變換器的基本工作原理,作為QFET的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,,介紹了FQP10N20型QFET在70W彩色監(jiān)視器升壓變換器電源中作為開關(guān)使用的優(yōu)點(diǎn),。

2升壓變換器工作原理

  升壓變換器是將一個(gè)DC輸入電壓變換成比輸入電壓高的并經(jīng)過調(diào)整的DC輸出電壓的電源變換器,其基本電路如圖1所示,。當(dāng)開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí),,輸入DC電壓Vi施加到電感器L的兩端,二極管D因反偏而截止,,L儲(chǔ)存來自輸入電源的能量,。當(dāng)開關(guān)Q1關(guān)斷時(shí),L中的儲(chǔ)能使D正偏而導(dǎo)通,,并將能量傳輸?shù)捷敵鲭娙軨和負(fù)載R中,。

圖1升壓變換器基本電路

圖2為圖1電路的相關(guān)波形。穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),,電感器L儲(chǔ)存的能量與釋放的能量保持平衡,,用伏秒積表示如下:

ViDTs=(VO-Vi)(1-D)Ts(1)

式中Ts為開關(guān)周期,D為開關(guān)占空比,。從式(1)可得:

VO=Vi(2)

由于D<1,, 故 VO>Vi。L兩端的電壓為:VL=L(3)

當(dāng)開關(guān)Q1開通時(shí),,根據(jù)公式(3),,電感電流的變化可用式(4)計(jì)算:ΔiL=DTs(4)

圖2升壓變換器相關(guān)波形

圖370W、80kHz彩色監(jiān)視器用升壓變換器電路

電感電流平均值可表示為:Iav=ΔiL+I(xiàn)V=DTs+I(xiàn)V(5)

整個(gè)開關(guān)周期中的平均電流等于輸出電流,,即IO=Iav,。根據(jù)式(5)可得:

IV=IO-DTs(6)  在電感電流連續(xù)模式中,,IO>()DTs。為保持較低的電感峰值電流和較小的輸出紋波電壓,,按照慣例,,推薦ΔiL=0.3io。于是式(4)可改寫為:L=DTs(7)

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),,輸出電容放電,,峰峰值紋波電壓為:Δvo=(8)

式(8)整理后為:(9)

利用式(7)和式(9),可以計(jì)算升壓變換器中的電感值和輸出電容值,。

3低損耗高效率升壓變換器

  彩色監(jiān)視器用70W,、80kHz升壓變換器電源電路如圖3所示。升壓變換器的輸入DC電壓Vi=50V,,輸出DC電壓VO=120V±1%,。變換器電路采用KA7500B單片IC作為PWM控制器。

31實(shí)現(xiàn)低損耗高效率的途徑

  圖3所示的升壓變換器電路中,,升壓電感器L1,、升壓二極管D1、輸入及輸出電容C1與C5,、功率MOSFET(Q1)和IC1等,,是產(chǎn)生損耗的主要元器件。其中,,開關(guān)Q1所產(chǎn)生的損耗在總損耗中占居支配地位,,而IC1產(chǎn)生的損耗則相對(duì)較小。為降低變換器損

圖4柵極電荷比較

圖5通態(tài)電阻比較

圖6關(guān)斷波形比較

圖7關(guān)斷損耗比較

圖8柵極電壓Vgs關(guān)斷波形

耗,,提高效率,,主要途徑是:

  (1)選用低開關(guān)損耗的MOSFET,;

 ?。?)選用低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器C1和C5;

 ?。?)選用低等效電阻的電感線圈L1;

 ?。?)選用低導(dǎo)通電阻和低通態(tài)電壓的二極管D1,。

  關(guān)于L1和輸出電容C5數(shù)值選擇可根據(jù)式(7)和式(9)求出。輸出電流IO=PO/VO=70W/120V≈0.6A,,開關(guān)周期Ts=1/fs=1/80kHz=12.5μs,,Vi=50V,設(shè)最大占空比Dmax=0.73,,代入式(7)可得:L=×0.73×12.5×10-6

=2.5×10-3H=2.5mH

  紋波電壓Δvo=120V×1%=1.2V,,VO=120V,,DTs=9.1μs,設(shè)負(fù)載電阻R=200Ω,,代入式(9)可得:C5==4.55μF

  考慮在輸出負(fù)載瞬時(shí)變化時(shí)能安全運(yùn)行,,可選用500μF/200V低ESR的電容器。

  選用低損耗的MOSFET是提高升壓變換器效率的關(guān)鍵一環(huán),。目前快捷公司推出的新一代MOSFET—QFET系列產(chǎn)品,,則具有低損耗特征。

32QFET的主要特點(diǎn)

  QFET是新一代MOSFET,。在芯片結(jié)構(gòu)上,,采用了條狀P+槽(或P+阱)替代了傳統(tǒng)MOSFET有源區(qū)中的蜂窩狀P+槽,并形成柱面結(jié),,從而在相同的擊穿電壓下可使用較低電阻率的外延層(N-),,因而有較低的導(dǎo)通電阻Rds(on)。同時(shí),,通過對(duì)柵極氧化層的控制,,有較低的柵極電荷Qg。

  在QFET系列產(chǎn)品中,,F(xiàn)QP10N20(200V/10A)適合于在彩色顯示器電源中用作開關(guān),。FQP10N20采用TO220封裝,Rds(on)=0.28Ω(典型值),,Qg=13.5nC(典型值),,與電壓和電流容量相同并采用相同封裝的普通MOSFET比較,Rds(on)減少近20%,,Qg約減小40%,。圖4和圖5分別為FQP10N20與普通MOSFET的Rds(on)和Qg比較曲線。

33采用QFET替代普通MOSFET的效果

  在圖3所示的升壓變換器中,,當(dāng)工作條件相同時(shí),,采用FQP10N20與普通器件其開關(guān)關(guān)斷波形比較如圖6所示。從圖6可知,,QFET的Vds電壓上升時(shí)間和Id電流下降時(shí)間要比電壓與電流容量相當(dāng)?shù)钠胀∕OSFET都快,。

  圖7為FQP10N20與普通MOSFET關(guān)斷損耗波形比較。波形面積與器件關(guān)斷期間的能耗成正比,,由于QFET的波形面積小于普通MOSFET,,故有較低的關(guān)斷損耗。圖8示出了關(guān)斷期間柵-源極之間電壓Vgs的波形對(duì)比,。由于QFET有較小的柵極電荷,,所以Vgs的關(guān)斷下降時(shí)間比普通MOSFET短。

  圖9為在不同工作頻率下對(duì)升壓變換器測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)繪制的效率曲線。由圖9可知,,采用FQP10N20(QFET)替代普通MOSFET,,效率有(2~4)%的提高。并且隨頻率增加,,QFET對(duì)效率的改進(jìn)更加明顯,。

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圖9在相同工作條件下效率比較

4結(jié)語

  設(shè)計(jì)高效開關(guān)電源,重點(diǎn)是選用低開關(guān)損耗的功率MOSFET,??旖莅雽?dǎo)體推出的QFET新一代MOSFET,具有低開通電阻和小柵極電荷特性,,實(shí)現(xiàn)了低開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗,,從而提高了電源效率。

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