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