在升壓變換器中利用新型MOSFET減少開關損耗

摘要：升壓變換器通常應用在彩色監視器中。為提高開關電源的效率，設計者必須選擇低開關損耗的MOSFET。在升壓變換器中，利用QFET新型MOSFET能夠有效地減少系統損耗。

1引言

　　在開關電源設計中，效率是一個關鍵性的參數。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效率的重要環節。快捷（又名仙童）半導體新發明的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彩色監視器升壓變換器電源中作為開關使用的優點。

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，并將能量傳輸到輸出電容C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。穩態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。根據式(5)可得：

IV=IO－DTs(6)　　在電感電流連續模式中，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：

　　（1）選用低開關損耗的MOSFET；

　　（2）選用低等效串聯電阻（ESR）的電容器C1和C5；

　　（3）選用低等效電阻的電感線圈L1；

　　（4）選用低導通電阻和低通態電壓的二極管D1。

　　關于L1和輸出電容C5數值選擇可根據式（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。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MOSFET有源區中的蜂窩狀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，FQP10N20(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的普通MOSFET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據繪制的效率曲線。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。快捷半導體推出的QFET新一代MOSFET，具有低開通電阻和小柵極電荷特性，實現了低開關損耗和驅動損耗，從而提高了電源效率。