在升壓變換器中利用新型MOSFET減少開關(guān)損耗

摘要：升壓變換器通常應(yīng)用在彩色監(jiān)視器中。為提高開關(guān)電源的效率，設(shè)計(jì)者必須選擇低開關(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，開關(guān)電源的頻率在不斷提高。因此，功率器件的開關(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為開關(guān)周期，D為開關(guān)占空比。從式（1）可得：

VO=Vi(2)

由于D1， 故 VO>Vi。L兩端的電壓為：VL=L(3)

當(dāng)開關(guān)Q1開通時(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，峰卜逯滴撇ǖ繆刮：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。

31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