新型MOSFET在升压变换器中减少开关损耗的解决方案

    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：

    由于D<1， 故 VO>Vi。L两端的电压为：

    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：

图2 升压变换器相关波形

图3 70W、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：

    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：

    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：

图4 通态电阻比较

图5 关断波形比较

图6 关断损耗比较

图7 栅极电压Vgs关断波形

    当Q1导通时，输出电容放电，峰耗，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：

    =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：

    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。<