反激式电源设计中MOSFET的选择与功耗验证.Stamped_图文

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第4 0卷 第 5期 
2o 0 6年 1 月 0  

电力 电 子技 术 
P we  e tonc   o rElc r is

Vo1 . 40,No5 . 

Oc o e , 0 6 tb r2 0  

反激式电源设计中 MO F T的选择与功耗验证  SE
李华 嵩 俞卞章  秦祖 荫  , ,  
( .iL _ A @ ,陕 西 1i . I t : S1 k 西安 7 0 7 ; . 安交 通 大 学 ,陕西 10 2 2 西 西安 704 ) 10 9 

摘 要 : 论 了反 激 电源 设 计 的 另外 一个 方 面 , M S E 讨 即 O F T场 效 应 管 的选 择 和 功耗 验 证 , 出 了相 应 的计 算 公 式  提 与 验 证 流程 。 该 思想 也 可 用 于 其 它 电路 设 计 中 的 M S E O F T检 验 。  

关键词 : 电源 : 功耗 / 反激 式:金属氧化物场效应 晶体管 
中图 分 类号 :M   T 5 文 献 标 识 码 :  A 文 章 编 号 :00 10 (0 6 0 一 17 0   10 — 0 X 20 )5 O 0 — 3

M OS FET  o r Co s m p in Va ia i n i   wi h n   n e tr Dein P we   n u t   l to   S t i g Co v re   sg   o d n c

WasnL E, U B a—h n   Q nZ —i t   E Y   i za g, i uyn o n  
( .o h etr o tcn d U i ri , i n7 0 7 , h a 2X nJ o n  n esy X n70 4 , hn ) 1 r w senP l eh i   nv sy X   10 2 C i ; .i  i t gU i ri , i   10 9 C ia  N t y c e t a n a ao v t a
Ab ta t B s d o   o l t n o  h   e i n o  w th n   o v re  i  ic i,h s p p r man y d s u s s a o t sr c : a e   n c mpe i   ft e d sg   fs i i g c n e tr ma n c r u t ti  a e  il  ic s e   b u   o c MOS E   h o i g a d i t d c s p w rd s i ai n v l ai n o   F T c o sn   n   n r u e   o e   is t   a i t   f MOS E i cu i g f u   s e t o   o e   i i ai n i   o p o d o F T, ld n  o ra p cs fp w rd s p t   n n   s o h a ma a e n  ..o d ci n ls e ,wi h n   o s s g t  h re ls e   n   f sae la a e C le tls e . h   a e  e t n g me ti c n u t   o s s s t i g ls e , a e c a g  o s s a d o - tt e k g   UT n o s sT e p p r   e o c

sp l s om l( ) (0 ,1 ) (4 o aclt gtoelse n  t dcsapoesf  o sm t nvl ai  f u p e  r ua 5 , 1 ) (2 , 1 )f clua n  s  ss di r ue  rcs o cn u pi  a dt no  i f r i h o a no  r o i o
MOS E T e p o e sas   a   e u e  n o h re e t n cd s n F T. h   r c s   lo c n b   s d i   t e   lc r i  e i . o g   Ke   r s p we  u p y o e   isp t n/f b c y wo d : o rs p l ;p w rd si a i o l a k;MO E   y SF T

1 前  言   
本 文在 完成 开关 电源 设计 的基 础上 讨论 高频 电  源 设计 中的另一个 方 面 .亦是 电子设计 热管 理 的一  个 重要 课题 : S E MO F T场效 应 管 的选 择和 功耗 验证 。  

MO F T漏 一 极 的最 大耐压 Ik 满 足 : SE 源 /应    
I Is >/。+/ / /  I   I   > d    。 , MO F T漏 极 连续最 大 电流  应满 足 : SE   ,> d  () 1   () 2 

2 MOS ET场 效 应 管 的选择    F
MO F T S E 是高 频 反激 开 关 电源 关 键器 件 ,也 是  电源部 分发 热量 较大 的元 件 。合理 的计 算可 以帮 助 
设 计 者避免 盲 目与 浪费 的选择 。在选 择 MO F T管  SE

取 MO F T栅极驱动 电压 I  SE / 小于 P 。 WM芯片驱 
动输出电压 I , / 即可选 出 MO F T   S E 进行功耗验证。  

3 功 耗 验 证   
MO F T 功 耗 验 证 是 MO F T选 择 的难 点 . SE 的 SE  

时须考 虑 :最 大峰值 电压  一;最 大输 入 电流 ,; 1  ) k
MO F T 功 耗  。 MO F T最 大 允 许操 作 温 度  SE 总  ; S E
。   。

其 实质 是 电子 原件 的热 管理 。单位 时 间 内电子 元件  所 消 耗 的 电能称 功率 损 耗 , 率 损耗 将 导 致 结温 升  功 高 从 而产 生 了散 热冷 却 的 要 求 : 原件 散 热 部分 在  而 单 位 时 间 内 所 散 发 出 的热 能 量 叫 耗 散 功 率 。 在  MO F T正 常 稳 定工 作 时 . 件 的功 率 损 耗和 散 热  SE 器 器 的 耗散 功率 将 达到 平 衡 ,温 度 不 会 继续 升 高 , 即  系 统 达 到 了热平 衡 状 态 。 功 耗 验 证 的 目的是 研 究 
MO F T热 性 能 方 面 的信 息 以证 实 其 热 平 衡 状 态  SE 是 否满 足 设计 需求 。   初 选 MO F T后 , 在 使 用 手 册 中 可 以 查 到  SE MO F T的如下相 关参数 : S E SE MO F T的通态 电阻 尺 s; d   

根 据文 献[] 3 中提 到 的反激 电压 嘶与最 大输 入 

电流  的计 算 ,由如 下参 数 可 初步 选择 MO F T  SE :
P WM 控 制芯 片 导通 输 出控 制 电压 V ;WM 控 制 芯   P

片与 MO F T栅 极 间驱动 阻抗 R SE  MO F T开关 频  SE 率  ; S E MO F T工作 环 境最 高温 度 T; S E oMO F T最 大 
占空 比 D 一。 图 1示 出 反 激 电源 中流 过 MO F T   SE  

的漏极 电流  波 形 。  

:。『 0— r  濒 -  3      ;溅    
? 

MO F T关 断 阶 段输 入 电容 C ; S E SE 。 MO F T栅 极对 地    总 电荷 量 Q ; SE   MO F T栅 极 对 源 极 电 荷 量 Q ;    MO F T导 通 门槛 电压 Vs; S E SE g MO F T散 热 热 阻 尺   t h 趴 ( 据 MO F T不 同 的布 板 与 安装 方 式可 能有数 个  根 SE 取 值 )MO F T最 大 工 作 结 温  一; S E ; SE MO F T最 小 
工 作 结温  。  
1   07

图 1 反 激 电源 中 MO F T漏 极 电流  SE 图 中  导 通 时 间  一 关 断 时 间 

定稿 日期 :0 6 0 一 1 2o— 1 l  

作 者 简 介 : 华 嵩 (9 5 ) 男 , 东省 新 会 市 人 , 程  李 17 一 , 广 工
师 , 士 , 究方 向 为 信 号 与 信 息 处理 。 博 研  

MO F T的总功 耗 由通态 损 耗 、 SE 开关 损耗 、 态  断

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2o 0 6年 l 月 0  

电力 电子 技 术 
P we   l cr n c   o rE e t is o Oco e , 0 6 tb r2 0  

漏 电流损耗 与 驱动损 耗 4部分 构成 。  
31 通 态损 耗 P   . 锄

t 段  下 跌 至 V tMO F T由全导 通 至完   阶  I S E l , 全 关 断 , 指 数 上 升至  一, 响 ,有 几方 面 :     影 S 栅. 源 极与 栅 . 极 电容 充放 电、漏 . 极 电阻 由通 态 电  漏 源 阻 R  上 升 到无 穷大 、 源 极 电容 充 放 电。 也 漏.  
虽 然知 道开 关 损耗 总功 为 :  
r  
s   w

由图 l 可知 , 在  阶段 t 时刻 电流 为 :  

竽  
1  

() 3  
, 极 电流 在一 个  漏

最 大导 通 时 间  一 =   D 周期 内通 态 时最 大 做功 为 :  

J Vt 。 l  d

(  6 )

W I ̄o ooRn r( d— . '+ ='  
1  
on m a   x

( 和 电流变 化 性质 也 不 同。验证 开关 损耗 时不 大 可 能  4 )  
实测 MO F T工作 电流 电压 , ( ) SE 式 6 实用 性并不 强 。   为 了找 到一 个 可用 于实 际工程 中的公 式 ,估计  如下: ) O F T关断起始漏 电流为 , (M SE  ̄   故关断阶段 
\   ()  , 5

但 不 同材质 的 MO F T SE .关 断阶段 其 阻抗变 化 

故一个 周期 内最 大通 态损 耗 为 :  
i l — —   —  Pi— — — — 些   O  一 : — ~
32 开关损 耗  .

有效电流 , < ②关 断阶段漏源极 电压 也  一。 m  ; <  
r‘  

对 于反激式 电源 M S E O F T开关损耗 的计算 .   目 前 尚未见过 理论 依据 ,计 算 的复杂 之 处在 于开 关阶 
段情况 复杂 , 响漏 极 电流 的因素 太 多。 影   图 2示 出 MO F T关 断过 程 中的  , , , SE       波形 ,图中 ,与  是 关断 瞬 间源 极 电流 和漏 . 间  s 源 电压 的 实测展 开 图 , 为便 于说 明绘 出了驱 动 电压  与栅 - 极 电压 V 。 源   
. 

式()   6变为:

I  
( +   一    妇) 蛐

一 pt Id k 

() 7  
() 8 

即估 算 最大 开关 损耗 功率 为 :  


MO F T栅 极 对 导 通 与 关 断 是 对 栅 . 极 电荷  SE 漏 量 Q  的 充 放 电 。 可 以看 成 栅 极 平 均 充 放 电 电流 


在 

电压 从 驱动 电压 降至 门槛 电压 的过程 中 

消耗在驱动 电阻 R  上。 开关时间 tQ  ̄ 有  关  = j  ,
:   :   :     -   .

,   ●  

断时间:  



 

() 9 



:  
.  

1 ’ 0  
.  ci
一  

‘0 2 
. 
● ● 

3  0



4  0

: 5  i 0 tn
  ,

实际上 ,   上升时间得到的估算公式 () 由 6 也  是 MO F T生产 商 测 试栅 . 极 电容 Q S’ E 漏  的来 源 , 故  用以估算关断时间是可靠的。 由式() 8 得最大开关损 
耗估 算 公式 :   :  
y 一 y     tt i  

竖 -  ’  ’  
- 

l 、   _   ●
:   l    0 _    。 :  
= 

(0  1)

3  0

4  0

: 5  i ! C tl l  
:  

33 断态 漏 电流损 耗  .

/   '        、 — 、I一 一
  -

l  
l  a

MO F T处 于 关 断状 态 时 的漏 极漏 电流 十 分微  SE



 

. 

  .

小, 但在断态 电压很高的情况下, 微小的漏电流仍可 
:   3  0 4  0 : 5  i  0 tn


. 

I… r _,‘一 l  
。  
. .

能产 生较 为 显著 的 断态功 率损 耗 。   在 关 断 阶 段 , 电流 最 大 电压 为  一, 定 其  漏 假 在关 断 阶段 维 持 不 变 , 源 极输 入 电容 为 C 则在  漏.  


I . _ 一 _;  

』  r 、


,  ~.  

: —    

:1   :  0  i  
:.  

_ 。   4 5i 0 0n  。 t  s

图 2 MO F T关 断 过 程 中 的  , , ,   SE      

个 周期 内关断 阶段 吸 收的最 大 能量 为 :  
/  T  ’ , 2  

为解 决 E MC 问题 经 常在 驱 动 芯 片 与 MO F T SE  

栅极 间加一 个 驱动 电阻 以减 缓 开关 速 度 . 阻值 越  该
大, SE MO F T的 开关损 耗 也越大 。  

胡  = 断态漏 电流 最大损 耗  :  

(1 1)  

对于反激式 D /C电源而言 . CD 其开关损耗主要 
集 中在 MO F T关 断瞬 间 , MO F T导 通 瞬 间的  SE 而 SE 电流 几 乎为零 , 故该 功耗 可 以忽 略 。   t 阶 段    .   由驱 动 电压 跌 至 非 饱 和 区栅 极 电 
34 驱动 损耗  .

(2  1)

MO F T在 开关 过 程 中消耗 在 驱 动控制 板 上 的  SE 功率 以及 在 导通 状态 时维 持一 定 的栅极 电压 、 电流  所 消耗 的功率 称 为驱 动损 耗  。  


压 限值  ,该阶 段 MO F T维持 全 导通状态 , 波  SE , 目

动主要 受栅 . 极 电容充 放 电影 响  源
】 8 0 

般 情况 下 这部 分 的功率 损耗 与 器件 的其 他部 

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反 激 式 电 源设 计 中 MO F T的 选 择 与 功耗 验 证  SE

分 损 耗 相 比 可 以 忽 略 不 计 . 但 通 态 电流 越 大 的  MO F T栅极 对 地 总漏 电荷 量 Q SE   越大 , 损耗 则  该

MO F T 前 附 加 驱 动 电 阻 R =  , 其 它  SE  1 MO F T参 数为 : s=.5 C ̄30 FQ o=4 C  SE  d O2Q,i 9 p ,  ̄ 1n ,   =
Q = n Rj 8  ̄/ T.- 7  ̄ 。  ̄ 3 C, O= 5CW,j,1 5C   A  ̄

需要特 殊考虑。 通态 时平均 电流可看成 厶   / 一,  Q    
故最 大驱 动损 耗 :   三Q   MO F T总功 耗 为 : 尸 ~= l 尸 SE   尸n   0 + 尸   =   T  o , (3  1) (4  1) (5  1)

验 证 如 下 , 式 () :0 O87 ; 式 (O  由 5 得 Pn .1W 由 = 1) 得 : =.6W ;   O11 由式 (2得 :n . 6W ; 1 ) P 01 3 由式 (4  4 1)
得 : = . 9 W。 尸 O0 4   2

由式 () (O ,1 )和 (4 5 ,1 ) (2 1 )得 到 反激 电源  另 估 算 MO F T工 作 环 境 下热 管 理 所 允 许 的  SE
最 大功耗 如下 :   = 土 
/ J   ̄O A

故 MO F T上总功耗 : .- .14 由式 (6  SE    ̄- 4 7 W, ,0 1) 得热管理所允许 的最大功耗 :n 1 7 4 P  . 6 W  1 ~。由  

(6  1)

以上分析可得 : M S E 该 O F T符合该 电源热 管理 要求。  

5 结  论   
本 文 主 要 研 究 的是 反 激 式 电源 中 MO F T的  SE 选 择和 功 耗验 证 , 出 了 MO F T热 管 理 的 功耗验  提 SE 证流 程 。该功 耗验 证 的思想 也 可用 于其 它 MO F T SE 
应用 场合 
参 考文 献 
I】 Mi e  c ch. wth gPw rSp l D s nd cn 1   c l Sl c i S i i  o e u py ei —i o? he o cn   g s  
t u u  Mo e l b c  C n e tr t n l e c n u tr i os n d  F y a k o v re . i a S mio d co   Na o

若  > ~, 说 明 MO F T的热 阻足 够 小 ,   则 SE  

该 MO F T符合 使用 散热 要求 。 SE   若  < ~, 说 明 MO F T热 阻 过大 , 要    则 SE 需 考 虑更 换 MO F T,改变 安装 方 式或 为其 加装 散热  SE
装置 。  

4 计 算举 例 
假 定完 成 了一 个 电源变 压器 主 回路设 计 .设 计 

参 数 如 下 : d 5 V, = .A = 3k , ~= Vs ~: O   1   10HzD 4   O5P .;WM 驱 动 芯 片输 出 电压 V = V, S E 击 7 MO F T工作  环境最 高温 度 T= 5C  07 o。 由式 () 1及式 () 2选择 MO F T 若选 用 MO F T SE , SE  为 N D1N1 , T 2 0 其参 数为 : 凼 10 > d I 7 > ̄  Vs 0 V Vs d A I, = ~,= ,
t . V<Vd。 l 1 l =3 r 
( 接 第 9 页) 上 4  

Ld [BO ] t :w bnhn tn 1o /p if pw r t   E / L. t / ee c.a oa cm a pn /o e/ hp / i . o  
i s f e/ M5 3 P s - u l-1 V 一 0 l L 0 0 uh P l 2 6W


- 0 i— e 一 . 2 01 n w 4 

p f p g =1 d# a e .  

【 杨 2 】

旭, 裴云庆 , 王兆安. 开关 电源技术[ . MI 北京 : 机械工 

业 出版 社 .9 6 19   【】 李华 嵩 , 卞 章 , 祖 荫 . 大 占空 比反 激 式 电源 主 电路  3 俞 秦 最

及变压器的设计【. J 电力 电子技术 ,06 4 () 14 16 1 2 0 ,05 :0 — 0 .  

用 一级 D /C变 换 完成 , 电路 变得 简单 并 且 降低  CA 使 了费用 。 虽然 该 电路 以 MH灯 为 背景研 究 , 是 它可  但

33 逆 变 电路 的效 率  .

图 8示 出逆变 电路效率 曲线  电路 效率测 试采 

用 了两种方法 : 定占空 比, ① 改变输入 电压, 测量输  入 输 出功率 计算效 率 。图 8 a中实线 的 D= 2 虚线  7 %, 的 D 7 %。由图可 见 , =5 随着 输入 电压 的升 高 , 率 也  效 在增 加 , 后 在 9 %左 右 摆 动 , 最 2 当达 到 额 定 功 率 时  参数设计与要求相匹配, 效率最高 ; ②定输入 电压 ,   改变 占空 比, 测量输入输出功率计算效率 。输入交  流 电压 为 10 由图 8 2V。 b可见 , 随着 占空 比 的增大 ,  
效率 越 来越 高 , 明增 大 占空 比可相 应地 提高 效率 。 说  
7  

以用于功率小于 4 0 的纯阻负载当中。0W 样机  0W 20 能够 使 MH灯稳 定 的工作 ,并 且避 免次 谐波 振 荡发  生。试验结果与理论和仿真结果相一致 ,体现了高 
效率 和低 成本等 特 点 。  
参 考文 献 
【】 张卫平, 绿色 电源[ I 1 等. M. 北京 : 科学出版社 ,0 1 20 .   f1 阮新波, 2   严仰光. 直流开关 电源 的软开关技术[ . MI 北京 : 科 
学 出版 社 .0 0 20.  
【 R ysyn a adK a D TN o  WM Me o  r e 3 】 a— a g i n   hi    g . P   t df   — h L    A h oR  

f  
/ 

dc o f wt igL s i aH lbig net []E E utno  i hn os n   a -r eIvr r . E   i S c    f d eAI Tas nPw rE co i [] 0 2 1 ( )29 2 6 rn.  o e et n s . 0 ,0 3 :6 - 7 . o   r cC2   【1 E uroD sh m s n v  ab. l n— aai r V   4   d ad  ec a p  dIoB ri Fy gC p ct   S a A i oZ
P M 15 W  ? ?   o v  ̄ r wi   l o   h   n u  W .k DC ? ? t DC C n e e   t Haf f t e I p t o h  

/  
|  
/  

/  
i  
,  

/ V 

D 

() 率随输 入 电压变化而 变化 的曲线  a效

()- 比 政 变 时 效 率 波 形  b  空

V l g  cost  wt e J. E   rn.  o e E c ot eA rs h S i h s[ I E Ta s nP w r e— a  e c 1E o     t nc,0 0 1 ( ) 85 83 r i 2 0 ,5 5 :5  ̄ 6 . o s  
【 J n —u  h nadC igL n  h . o b ao  oae 5 】 i nF hce n   hn—u gC u C m i t nV lg  a ni t
C nr l d a d u rn . n r l d P M  n e es f r UP   o t l   n  C re t oe Co t l   W oe I v r r  o   S t

图 8 逆 变 电路 效 率 曲线 

4 结  论 
本文 提 出 了一 类 新颖 的高 效率 、软 开关 MH灯 
用 单级 逆变 电路 。 它把 D / C和 D / CD CAC两 级 变换 

P r l O eao 【 . E  Ta s n o e  etnc , aae p r i J I E r .  Pw r E c oi   l l t n 1E no r s 20 ,0 5 :8 - 9 ,4 . 0 1 1 ( ) 11 11 57  
1   09


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