3000W高頻高效全橋軟開關(guān)電源選用的低通態(tài)損耗單管開關(guān)MOSFET新器件
摘要:IR公司最新推出的低導(dǎo)通電阻MOSFET功率管IRFPS37N50A,使全橋變換器只需采用二個(gè)MOSFET和二個(gè)IGBT就能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)電源單機(jī)輸出功率3000W。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/233439.htm關(guān)鍵詞:功率MOSFET 低導(dǎo)通電阻 低損耗 大電流特性
1 引言
IRFPS37N50A是IR公司1999年6月在中國(guó)剛推出的最新低導(dǎo)通電阻、低損耗、高性能功率MOSFET(又稱HEXFET)。它是繼IRFP460(1985)、IRFP460LC(1994)之后又一次重大技術(shù)革新,是功率MOSFET器件在大電流特性方面追趕IGBT的一次質(zhì)的飛躍。在相同的500V最大漏極擊穿電壓條件下,它使全橋變換器只需要采用二個(gè)MOSFET和二個(gè)IGBT管,就能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)電源單機(jī)輸出功率達(dá)到3000W。
為滿足開關(guān)電源的特殊需要,IRFPS37N50A管的外殼尺寸設(shè)計(jì),完全相同于原有的IRFP460/460LC等。請(qǐng)注意到它的塑料外殼中心,并沒有穿孔隙作固定!它是用彈性簧片將功率管殼壓緊在散熱器上(二者之間涂導(dǎo)熱硅脂)。新的SUPER-247封裝見圖1,最大限度地留下空間來擴(kuò)充功率密度,大大降低了MOSFET的導(dǎo)通電阻值(由原ROS(On)=0.27Ω減小到0.13Ω),使通態(tài)損耗降低了50%,工作電流從20A大幅提高到36A!
反映三代功率MOSFET特性參數(shù)的主要數(shù)據(jù),見表1:
當(dāng)采用四只IRFP460或IRFP460LC組成全橋軟開關(guān)電源變換器時(shí),它的額定輸出功率為1000W~1500W,這是因?yàn)樗鼈兊淖畲蠊ぷ麟娏髟?0A(管殼溫度25℃)~12A(管殼溫度100℃),實(shí)際工作狀態(tài)下的最大電流約為16A(管殼溫度60℃)。所以要實(shí)現(xiàn)3000W高頻開關(guān)電源單機(jī)輸出功率,需要采用8只MOSFET雙雙并聯(lián)組成ZVS軟開關(guān)全橋變換器,見圖2,但額定輸出功率時(shí)的電源整機(jī)效率只有87%。新問世的低導(dǎo)通電阻、低損耗MOSFET管IRFPS37N50A,其最大工作電流在36A(管殼溫度25℃)~23A(管殼溫度100℃),實(shí)際工作狀態(tài)下的最大電流約為30A(管殼溫度60℃)。因此,只要散熱良好,采用四只單管(兩只IRFPS37N50A和兩只IGBT)就能實(shí)現(xiàn)3000W輸出功率的開關(guān)電源。實(shí)用的3000W、50kHzZVS-ZCS全橋軟開關(guān)電源電路見圖3,其電源整機(jī)效率可達(dá)到90%或者更高。
2 IRFPS37N50A的主要電氣參數(shù)與特性曲線
IRFPS37N50A主要用于開關(guān)模式電源(SMPS)、不間斷電源(UPS)、高速功率開關(guān)等。在全橋變換器、功率因數(shù)校正升壓器中有廣泛應(yīng)用。它具有三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):
表1 IR公司三代MOSFET器件性能的比較
參數(shù) | 名稱 | 第三代IRFP460(1985) | 第四代IRFP460LC(1994) | 第五代IRFPS37N50A(1998) |
封裝 | 外形 | TO-247 | TO-247 | SUPER-247 |
BVDSS(V) | 漏-源擊穿電壓 | 500 | 500 | 500 |
ID(On)(A) | 通態(tài)漏極電流 | 20 | 20 | 36 |
RDS(On)(Ω) | 通態(tài)電阻 | 0.27 | 0.27 | 0.13 |
EAS(mJ) | 重復(fù)尋崩能量 | 28 | 28 | 44 |
Ciss(pF) | 輸入電容 | 4200 | 3600 | 5579 |
Coss(pF) | 輸出電容 | 870 | 440 | 810 |
Crss(pF) | 反向傳輸電容 | 350 | 39 | 36 |
Qg(nC) | 總柵電荷 | 210 | 120 | 180 |
Qgs(nC) | 柵-源電荷 | 29 | 32 | 46 |
Qgd(nC) | 柵-漏Miller電荷 | 110 | 49 | 71 |
td(on)(ns) | 導(dǎo)通延遲時(shí)間 | 18 | 18 | 23 |
tr(ns) | 上升時(shí)間 | 59 | 77 | 98 |
td(off)(ns) | 關(guān)斷延遲時(shí)間 | 110 | 40 | 52 |
tr(ns) | 下降時(shí)間 | 58 | 43 | 80 |
VSD(V) | 體二極管正向壓降 | 1.8 | 1.8 | 1.5 |
trr(ns) | 體二極管反向恢復(fù)時(shí)間 | 570 | 570 | 570 |
表2 絕對(duì)最大額定值
參數(shù)值 | 最大值 | 單位 | |
ID@ Tc=25℃ | 連續(xù)導(dǎo)通的漏極電流,VGS@ 10V | 36 | A |
ID@ Tc=100℃ | 連續(xù)導(dǎo)通的漏極電流,VGS@ 10V | 23 | |
IDM | 脈沖漏極電流 | 144 | |
PD@ Tc=25℃ | 功率損耗 | 446 | W |
線性減少額定值因數(shù) | 3.6 | W/℃ | |
VGS | 柵極-源極電壓 | 30 | V |
dv/dt | 峰值二極管恢復(fù)dv/dt | 3.5 | V/ns |
Tj TSTG | 工作結(jié)溫和儲(chǔ)存溫度范圍 | -55 to+150 | ℃ |
焊接溫度(10秒內(nèi)) | 300(1.6mm離管殼) |
表3 靜態(tài)電氣參數(shù)(除非另外特殊說明)
參數(shù) | 最小 | 典型 | 最大 | 單位 | 條件 | |
V(BR)DSS | 漏極-源極擊穿電壓 | 500 | - | - | V | VGS=0V, ID=250μA |
RDS(on) | 靜態(tài)漏極-源極導(dǎo)通電阻 | - | - | 0.13 | Ω | VGS=10V, ID=22A |
VGS(th) | 梵極門發(fā)電壓 | 2.0 | - | 4.0 | V | IDS=VGS, ID=250μA |
IDSS | 漏極-源極漏電流 | - | - | 25 | μA | VDS=500V, VGS=0V |
- | - | 250 | VDS=400, VGS=0V,Tj=150℃ | |||
IGSS | 柵極-源極反向漏電流 | - | - | 100 | nA | VGS=30V |
- | - | -100 | VGS=-30V |
表4 IRFPS37N50A動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)(除非另外特殊說明)
參數(shù) | 最小 | 典型 | 最大 | 單位 | 條件 | |
gfs | 正向跨導(dǎo) | 20 | - | - | s | VDS=50V,ID=22A |
Qg | 總柵電荷 | - | - | 180 | nC | ID=36A, VDS=400A, VGS=10V,見圖12 |
Qgs | 柵極-源極電荷 | - | - | 46 | ||
Qgd | 柵-漏極(Miller)電荷 | - | - | 71 | ||
td(on) | 導(dǎo)通延遲時(shí)間 | - | 23 | - | ns | VDD=250 I36=A RG=2.15Ω RD=7.0Ω |
tr | 上升時(shí)間 | - | 98 | - | ||
td(off) | 截止延遲時(shí)間 | - | 52 | - | ||
tf | 下降時(shí)間 | - | 80 | - | ||
Ciss | 輸入電容 | - | 5579 | - | pF | VGS=0V VDS=25V f=1.0MHz,見圖11 |
Coss | 輸出電容 | - | 810 | - | ||
Crss | 反向傳輸電容 | - | 36 | - | ||
Coss | 輸出電容 | - | 7905 | - | VGS=0V,VDS=1.0V, f=1.0MHz | |
Coss | 輸出電容 | - | 221 | - | VGS=0V,VDS=400V, f=1.0MHz | |
Coss eff. | 有效輸出電容 | - | 400 | - | VGS=0V, VDS=0V~400V | |
EAS | 單脈沖雪崩能量 | - | 1260 | mJ | ||
IAR | 雪崩電流 | - | 36 | A | ||
EAR | 重復(fù)雪崩能量 | - | 44 | mJ | ||
RθJC | 結(jié)-管殼 | - | 0.28 | ℃/W | ||
RθCS | 管殼-散熱片、平板玻璃、聚脂表面 | 0.24 | - | |||
RθJA | 結(jié)-環(huán)境 | - | 40 | |||
Is | 連續(xù)導(dǎo)通源極電流(體二極管) | - | - | 36 | A | MOSFET 符號(hào)表示 整體反接 PN結(jié)極管 |
ISM | 脈沖源極電流(體二極管) | - | - | 144 | ||
VSD | 二極管正向電壓 | - | - | 1.5 | V | TJ=25℃,Is=36A VGS=0V |
trr | 反向恢復(fù)時(shí)間 | - | 570 | 860 | ns | TJ=25℃,IF=36A di/dt=100A/μs |
Qrr | 反向恢復(fù)電荷 | - | 8.6 | 13 | μC | |
ton | 正向?qū)〞r(shí)間 | 本征導(dǎo)通時(shí)間可以忽略(導(dǎo)通由Ls+LD支配) |
(1)低的柵極電荷Qg,導(dǎo)致了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)要求;
(2)改進(jìn)了柵極雪崩和動(dòng)態(tài)dv/dt強(qiáng)度;
(3)充分地賦予了容量特性和雪崩電壓、雪崩電流特性。
其絕對(duì)最大額定值見表2。靜態(tài)電氣參數(shù)見表3。
其最大的漏極電流與管殼溫度關(guān)系見圖4。
最大雪崩能量與漏極電流關(guān)系見圖5。
動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)見表4。典型的輸出特性見圖6、圖7。
典型的傳輸特性見圖8,歸一化的導(dǎo)通電阻與溫度關(guān)系見圖9,最大有效瞬態(tài)熱阻抗(結(jié)—管殼)見圖10。
典型的電容與漏-源電壓關(guān)系見圖11。
典型的柵極電荷與柵-源電壓關(guān)系見圖12。
典型的源-漏二術(shù)管正向電壓見圖13。
最大的安全工作區(qū)域見圖14。
評(píng)論