在升压变换器中利用新型MOSFET减少开关损耗

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摘要:升压变换器通常应用在彩色监视器中。为提高开关电源的效率,设计者必须选择低开关损耗的MOSFET。在升压变换器中,利用QFET新型MOSFET能够有效地减少系统损耗。

1引言

  在开关电源设计中,效率是一个关键性的参数。输入和输出滤波电容器、变压器磁芯的几何图形与特性及开关器件等,都会影响系统的效率。为减小滤波电容和磁性元件的尺寸,开关电源的频率在不断提高。因此,功率器件的开关损耗在整个系统损耗中占有更大的比重。选用低开关损耗的MOSFET,是提高SMPS效率的重要环节。快捷(又名仙童)半导体新发明的QFET系列,是新一代功率MOSFET,用其可以获得低开关损耗。本文回顾了升压型变换器的基本工作原理,作为QFET的一个应用实例,介绍了FQP10N20型QFET在70W彩色监视器升压变换器电源中作为开关使用的优点。

2升压变换器工作原理

  升压变换器是将一个DC输入电压变换成比输入电压高的并经过调整的DC输出电压的电源变换器,其基本电路如图1所示。当开关Q1导通时,输入DC电压Vi施加到电感器L的两端,二极管D因反偏而截止,L储存来自输入电源的能量。当开关Q1关断时,L中的储能使D正偏而导通,并将能量传输到输出电容C和负载R中。

图1升压变换器基本电路

图2为图1电路的相关波形。稳态时在一个开关周期内,电感器L储存的能量与释放的能量保持平衡,用伏秒积表示如下:

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

式中Ts为开关周期,D为开关占空比。从式(1)可得:

VO=Vi(2)

由于D<1, 故 VO>Vi。L两端的电压为:VL=L(3)

当开关Q1开通时,根据公式(3),电感电流的变化可用式(4)计算:ΔiL=DTs(4)

图2升压变换器相关波形

图370W、80kHz彩色监视器用升压变换器电路

电感电流平均值可表示为:Iav=ΔiL+IV=DTs+IV(5)

整个开关周期中的平均电流等于输出电流,即IO=Iav。根据式(5)可得:

IV=IO-DTs(6)  在电感电流连续模式中,IO>()DTs。为保持较低的电感峰值电流和较小的输出纹波电压,按照惯例,推荐ΔiL=0.3io。于是式(4)可改写为:L=DTs(7)

当Q1导通时,输出电容放电,峰峰值纹波电压为:Δvo=(8)

式(8)整理后为:(9)

利用式(7)和式(9),可以计算升压变换器中的电感值和输出电容值。

3低损耗高效率升压变换器

  彩色监视器用70W、80kHz升压变换器电源电路如图3所示。升压变换器的输入DC电压Vi=50V,输出DC电压VO=120V±1%。变换器电路采用KA7500B单片IC作为PWM控制器。

31实现低损耗高效率的途径

  图3所示的升压变换器电路中,升压电感器L1、升压二极管D1、输入及输出电容C1与C5、功率MOSFET(Q1)和IC1等,是产生损耗的主要元器件。其中,开关Q1所产生的损耗在总损耗中占居支配地位,而IC1产生的损耗则相对较小。为降低变换器损

图4栅极电荷比较

图5通态电阻比较

图6关断波形比较

图7关断损耗比较

图8栅极电压Vgs关断波形

耗,提高效率,主要途径是:

  (1)选用低开关损耗的MOSFET;

  (2)选用低等效串联电阻(ESR)的电容器C1和C5;

  (3)选用低等效电阻的电感线圈L1;

  (4)选用低导通电阻和低通态电压的二极管D1。

  关于L1和输出电容C5数值选择可根据式(7)和式(9)求出。输出电流IO=PO/VO=70W/120V≈0.6A,开关周期Ts=1/fs=1/80kHz=12.5μs,Vi=50V,设最大占空比Dmax=0.73,代入式(7)可得:L=×0.73×12.5×10-6

=2.5×10-3H=2.5mH

  纹波电压Δvo=120V×1%=1.2V,VO=120V,DTs=9.1μs,设负载电阻R=200Ω,代入式(9)可得:C5==4.55μF

  考虑在输出负载瞬时变化时能安全运行,可选用500μF/200V低ESR的电容器。

  选用低损耗的MOSFET是提高升压变换器效率的关键一环。目前快捷公司推出的新一代MOSFET—QFET系列产品,则具有低损耗特征。

32QFET的主要特点

  QFET是新一代MOSFET。在芯片结构上,采用了条状P+槽(或P+阱)替代了传统MOSFET有源区中的蜂窝状P+槽,并形成柱面结,从而在相同的击穿电压下可使用较低电阻率的外延层(N-),因而有较低的导通电阻Rds(on)。同时,通过对栅极氧化层的控制,有较低的栅极电荷Qg。

  在QFET系列产品中,FQP10N20(200V/10A)适合于在彩色显示器电源中用作开关。FQP10N20采用TO220封装,Rds(on)=0.28Ω(典型值),Qg=13.5nC(典型值),与电压和电流容量相同并采用相同封装的普通MOSFET比较,Rds(on)减少近20%,Qg约减小40%。图4和图5分别为FQP10N20与普通MOSFET的Rds(on)和Qg比较曲线。

33采用QFET替代普通MOSFET的效果

  在图3所示的升压变换器中,当工作条件相同时,采用FQP10N20与普通器件其开关关断波形比较如图6所示。从图6可知,QFET的Vds电压上升时间和Id电流下降时间要比电压与电流容量相当的普通MOSFET都快。

  图7为FQP10N20与普通MOSFET关断损耗波形比较。波形面积与器件关断期间的能耗成正比,由于QFET的波形面积小于普通MOSFET,故有较低的关断损耗。图8示出了关断期间栅-源极之间电压Vgs的波形对比。由于QFET有较小的栅极电荷,所以Vgs的关断下降时间比普通MOSFET短。

  图9为在不同工作频率下对升压变换器测试所获得的数据绘制的效率曲线。由图9可知,采用FQP10N20(QFET)替代普通MOSFET,效率有(2~4)%的提高。并且随频率增加,QFET对效率的改进更加明显。

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图9在相同工作条件下效率比较

4结语

  设计高效开关电源,重点是选用低开关损耗的功率MOSFET。快捷半导体推出的QFET新一代MOSFET,具有低开通电阻和小栅极电荷特性,实现了低开关损耗和驱动损耗,从而提高了电源效率。

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