1 引言

    在開關電源設計中，效率是一個關鍵性的參數。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器件等，都會影響系統的效率。為減小濾波電容和磁性元件的尺寸，開關電源的頻率在不斷提高。因此，功率器件的開關損耗在整個系統損耗中占有更大的比重。選用低開關損耗的MOSFET，是提高SMPS效率的重要環節。快捷（又名仙童）半導體新發明的QFET系列，是新一代功率MOSFET，用其可以獲得低開關損耗。本文回顧了升壓型變換器的基本工作原理，作為QFET的一個應用實例，介紹了FQP10N20型QFET在70W彩色監視器升壓變換器電源中作為開關使用的優點。

    2 升壓變換器工作原理

    升壓變換器是將一個DC輸入電壓變換成比輸入電壓高的并經過調整的DC輸出電壓的電源變換器，其基本電路如圖1所示。當開關Q1導通時，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儲存來自輸入電源的能量。當開關Q1關斷時，L中的儲能使D正偏而導通，并將能量傳輸到輸出電容C和負載R中。

圖1升壓變換器基本電路

    圖2為圖1電路的相關波形。穩態時在一個開關周期內，電感器L儲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為開關周期，D為開關占空比。從式（1）可得：

    由于D<1， 故 VO>Vi。L兩端的電壓為：

    當開關Q1開通時，根據公式(3)，電感電流的變化可用式(4)計算：

圖2 升壓變換器相關波形

圖3 70W、80kHz彩色監視器用升壓變換器電路

    電感電流平均值可表示為：

    整個開關周期中的平均電流等于輸出電流，即IO=Iav。根據式(5)可得：

    在電感電流連續模式中，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 通態電阻比較

圖5 關斷波形比較

圖6 關斷損耗比較

圖7 柵極電壓Vgs關斷波形

    當Q1導通時，輸出電容放電，峰耗，提高效率，主要途徑是：

    （1）選用低開關損耗的MOSFET；

    （2）選用低等效串聯電阻（ESR）的電容器C1和C5；

    （3）選用低等效電阻的電感線圈L1；

    （4）選用低導通電阻和低通態電壓的二極管D1。

    關于L1和輸出電容C5數值選擇可根據式（7）和式（9）求出。輸出電流IO=PO/VO=70W/120V≈0.6A，開關周期Ts=1/fs=1/80kHz=12.5μs，Vi=50V，設最大占空比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，設負載電阻R=200Ω，代入式（9）可得：

    考慮在輸出負載瞬時變化時能安全運行，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鍵一環。目前快捷公司推出的新一代MOSFET—QFET系列產品，則具有低損耗特征。<