在升壓變換器中利用新型MOSFET減少開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的效率，設(shè)計(jì)者必須選擇低開(kāi)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。

1引言

　　在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的頻率在不斷提高。因此，功率器件的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗的MOSFET，是提高SMPS效率的重要環(huán)節(jié)。快捷（又名仙童）半導(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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)自輸入電源的能量。當(dāng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期，D為開(kāi)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(kāi)關(guān)Q1開(kāi)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(kāi)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(kāi)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：

　?。?）選用低開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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。

圖9在相同工作條件下效率比較

4結(jié)語(yǔ)

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