功率器件的选择实现家用电器开关电源的90+效率

日期:2013-09-05
 
有助于保护环境,节省电费
作者:Wonseok Kang,飞兆半导体
新的SuperFET® II技术MOSFET、屏蔽栅极沟道MOSFET和同步整流器控制器包含高效率开关电源的完整解决方案,适用于高端冰箱。它在多数负载范围内可实现超过90%的效率。
 
节约家庭使用能源有助于保护环境,对电费支出也有很大的影响。冰箱一周7天,一天24小时上电,因此有高效的开关电源至关重要。特别是,轻负载效率是冰箱开关电源的一个大问题,因为冰箱门大多数时候是保持关闭的。为了减少浪费的能源,高端冰箱的行业要求是:在7.7%到23.2%负载时,开关电源的效率应高于90%。同时在其他电源负载时,也尽可能需要更高的效率。新的功率半导体技术有助于提高效率。本文介绍高端冰箱电源的全面解决方案。通过结合一流的屏蔽栅极Trench Power MOSFET技术和电荷平衡高电压MOSFET技术,已设计出轻负载时效率超过90%的开关电源。
 
额定功率、拓扑和目标设备
高端冰箱的典型额定功率大约为50W,最大功率可达65W。在此功率范围内,反激拓扑是同时考虑性能和成本的最佳选择。此外,重负载条件下时同步整流器对于实现高效率是必需的。对于主要电源开关,选择超级结MOSFET可提高效率。图 1显示初始设计的功率损耗。
 

1效率曲线
 
在初始设计中,将100V 8.5mOhm屏蔽栅极Trench Power MOSFET应用于次级同步整流器,将600V 190mOhm超级结MOSFET用于主开关。但是,7.7%负载时的效率仍低于90%。整个系统中的功率损耗在此负载条件下仅为454mW。这意味着应降低每个小功率损耗以符合要求。
 

2功率损耗详情
 
图2显示初始设计的功率损耗明细。它表明开关损耗在轻负载时占主要部分,而导通损耗几乎可忽略。即使在满载条件下,开关损耗也在总损耗中占据极大一部分。基于此损耗分析,评估了380mOhm MOSFET,其寄生电容小得多。同步整流器MOSFET也替换为15mOhm MOSFET。图 3显示设备更换后的效率曲线。7.7%负载时的效率为89.93%。也可选择使用更高的导通电阻器件,但会在重负载范围时造成效率下降。55W负载时已降低0.8%。因此,更高导通电阻用于主开关不可行。此时可求助于新技术MOSFET。
 

3效率曲线
 
最新MOSFET 技术
克服硅限制的其中一个努力是在高电压功率MOSFET中采用超极结技术。此技术可同时显著降低导通电阻和寄生电容,而其通常存在权衡取舍。由于寄生电容较小,这些超级结 MOSFET 具有极快的开关特性,从而可以减少开关损耗。在50W等小额定功率中,输出电容中的存储电能是较高效率级别的极重要参数。SuperFET® II技术将输出电容中的存储电能降低了超过25%,(与上一代SuperFET®技术相比,如图所示),达到600V。
 

4输出电容中的存储电能,额定阻抗为190mOhm的器件
 
在50W功率范围,MOSFET中的负载电流极小,这种极低的电流水平导致关断时输出电容的充电时间很长。在这种情况下,MOSFET结点的开关损耗最小,由于输出电容放电,大部分开关损耗发生在硬开关导通时。图 5显示小负载电流时的关断示例。即使栅极电压(CH1)已为零,漏极电流(CH3)仍在流动。此电流实际上正在对输出电容充电。因此,输出电容中较少的存储电能此时是关键因素,SuperFET® II技术应在给定系统中具有更小的开关损耗。
 

51A负载电流时的关断波形
 
 
90+效率
在高端冰箱的开关电源中,主要目标是在7.7%到23.2%负载下实现90%或更高的效率。传统超极结技术设备不容易实现此目标。而SuperFET® II技术可解决此问题。将FCP380N60应用于主开关时,7.7%负载时的效率变为90.53%,如图 3所示,这得益于输出电容中较少的存储电能和卓越的开关性能。在重负载条件下,与传统190mOhm超极结MOSFET的效率差距与传统380mOhm超极结MOSFET相比还要小得多。
 
结论
新的SuperFET® II技术MOSFET、屏蔽栅极沟道MOSFET和同步整流器控制器包含高效率开关电源的完整解决方案,适用于高端冰箱。它在多数负载范围内可实现超过90%的效率。
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