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：
由于D<1， 故 VO>Vi。L兩端的電壓為：
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：
圖2 升壓變換器相關(guān)波形
圖3 70W、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：
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：
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：
圖4 通態(tài)電阻比較
圖5 關(guān)斷波形比較
圖6 關(guān)斷損耗比較
圖7 柵極電壓Vgs關(guān)斷波形
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，輸出電容放電，峰耗，提高效率，主要途徑是：
（1）選用低開關(guān)損耗的MOSFET；
（2）選用低等效串聯(lián)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(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：
=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：
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。<