1引言

　　在開關電源設計中，效率是一個關鍵性的參數(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器件等,，都會影響系統(tǒng)的效率。為減小濾波電容和磁性元件的尺寸,，開關電源的頻率在不斷提高,。因此，功率器件的開關損耗在整個系統(tǒng)損耗中占有更大的比重,。選用低開關損耗的MOSFET,，是提高SMPS效率的重要環(huán)節(jié)?？旖荩ㄓ置赏┌雽w新發(fā)明的QFET系列,，是新一代功率MOSFET，用其可以獲得低開關損耗,。本文回顧了升壓型變換器的基本工作原理,，作為QFET的一個應用實例，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使用的優(yōu)點,。

2升壓變換器工作原理

　　升壓變換器是將一個DC輸入電壓變換成比輸入電壓高的并經(jīng)過調整的DC輸出電壓的電源變換器,，其基本電路如圖1所示。當開關Q1導通時,，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儲存來自輸入電源的能量,。當開關Q1關斷時,，L中的儲能使D正偏而導通，并將能量傳輸?shù)捷敵鲭娙軨和負載R中,。

圖1升壓變換器基本電路

圖2為圖1電路的相關波形,。穩(wěn)態(tài)時在一個開關周期內，電感器L儲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為開關周期,，D為開關占空比。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)

當開關Q1開通時，根據(jù)公式(3),，電感電流的變化可用式(4)計算：ΔiL=DTs(4)

圖2升壓變換器相關波形

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＋IV=DTs＋IV(5)

整個開關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Q1導通時，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,，是產生損耗的主要元器件,。其中，開關Q1所產生的損耗在總損耗中占居支配地位,，而IC1產生的損耗則相對較小,。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關斷波形比較

圖7關斷損耗比較

圖8柵極電壓Vgs關斷波形

耗，提高效率,，主要途徑是：

　?。?）選用低開關損耗的MOSFET；

　?。?）選用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器C1和C5,；

　　（3）選用低等效電阻的電感線圈L1,；

　?。?）選用低導通電阻和低通態(tài)電壓的二極管D1。

　　關于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,，開關周期Ts=1/fs=1/80kHz=12.5μs，Vi=50V,，設最大占空比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，設負載電阻R=200Ω,，代入式（9）可得：C5==4.55μF

　　考慮在輸出負載瞬時變化時能安全運行,，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鍵一環(huán)。目前快捷公司推出的新一代MOSFET—QFET系列產品,，則具有低損耗特征,。

32QFET的主要特點

　　QFET是新一代MOSFET。在芯片結構上,，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，從而在相同的擊穿電壓下可使用較低電阻率的外延層（N－）,，因而有較低的導通電阻Rds(on),。同時，通過對柵極氧化層的控制,，有較低的柵極電荷Qg,。

　　在QFET系列產品中，F(xiàn)QP10N20(200V/10A)適合于在彩色顯示器電源中用作開關,。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，當工作條件相同時,，采用FQP10N20與普通器件其開關關斷波形比較如圖6所示,。從圖6可知，QFET的Vds電壓上升時間和Id電流下降時間要比電壓與電流容量相當?shù)钠胀∕OSFET都快,。

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

　　圖9為在不同工作頻率下對升壓變換器測試所獲得的數(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對效率的改進更加明顯,。

圖9在相同工作條件下效率比較

4結語

　　設計高效開關電源,，重點是選用低開關損耗的功率MOSFET?？旖莅雽w推出的QFET新一代MOSFET,，具有低開通電阻和小柵極電荷特性，實現(xiàn)了低開關損耗和驅動損耗,，從而提高了電源效率,。