節(jié)約家庭使用能源有助于保護(hù)環(huán)境，對(duì)電費(fèi)支出也有很大的影響。冰箱一周7天，一天24小時(shí)上電，因此有高效的開關(guān)電源至關(guān)重要。特別是，輕負(fù)載效率是冰箱開關(guān)電源的一個(gè)大問題，因?yàn)楸溟T大多數(shù)時(shí)候是保持關(guān)閉的。為了減少浪費(fèi)的能源，高端冰箱的行業(yè)要求是：在7.7%到23.2%負(fù)載時(shí)，開關(guān)電源的效率應(yīng)高于90%。同時(shí)在其他電源負(fù)載時(shí)，也盡可能需要更高的效率。新的功率半導(dǎo)體技術(shù)有助于提高效率。本文介紹高端冰箱電源的全面解決方案。通過結(jié)合一流的屏蔽柵極TrenchpowerMOSFET技術(shù)和電荷平衡高電壓MOSFET技術(shù)，已設(shè)計(jì)出輕負(fù)載時(shí)效率超過90%的開關(guān)電源。

額定功率、拓?fù)浜湍繕?biāo)設(shè)備

高端冰箱的典型額定功率大約為50W，最大功率可達(dá)65W。在此功率范圍內(nèi)，反激拓?fù)涫峭瑫r(shí)考慮性能和成本的最佳選擇。此外，重負(fù)載條件下時(shí)同步整流器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率是必需的。對(duì)于主要電源開關(guān)，選擇超級(jí)結(jié)MOSFET可提高效率。圖1顯示初始設(shè)計(jì)的功率損耗。

圖1效率曲線

在初始設(shè)計(jì)中，將100V8.5mOhm屏蔽柵極TrenchpowerMOSFET應(yīng)用于次級(jí)同步整流器，將600V190mOhm超級(jí)結(jié)MOSFET用于主開關(guān)。但是，7.7%負(fù)載時(shí)的效率仍低于90%。整個(gè)系統(tǒng)中的功率損耗在此負(fù)載條件下僅為454mW。這意味著應(yīng)降低每個(gè)小功率損耗以符合要求。

圖2功率損耗詳情

圖2顯示初始設(shè)計(jì)的功率損耗明細(xì)。它表明開關(guān)損耗在輕負(fù)載時(shí)占主要部分，而導(dǎo)通損耗幾乎可忽略。即使在滿載條件下，開關(guān)損耗也在總損耗中占據(jù)極大一部分。基于此損耗分析，評(píng)估了380mOhmMOSFET，其寄生電容小得多。同步整流器MOSFET也替換為15mOhmMOSFET。圖3顯示設(shè)備更換后的效率曲線。7.7%負(fù)載時(shí)的效率為89.93%。也可選擇使用更高的導(dǎo)通電阻器件，但會(huì)在重負(fù)載范圍時(shí)造成效率下降。55W負(fù)載時(shí)已降低0.8%。因此，更高導(dǎo)通電阻用于主開關(guān)不可行。此時(shí)可求助于新技術(shù)MOSFET。

圖3效率曲線

最新MOSFET技術(shù)

克服硅限制的其中一個(gè)努力是在高電壓功率MOSFET中采用超極結(jié)技術(shù)。此技術(shù)可同時(shí)顯著降低導(dǎo)通電阻和寄生電容，而其通常存在權(quán)衡取舍。由于寄生電容較小，這些超級(jí)結(jié)MOSFET具有極快的開關(guān)特性，從而可以減少開關(guān)損耗。在50W等小額定功率中，輸出電容中的存儲(chǔ)電能是較高效率級(jí)別的極重要參數(shù)。SuperFETII技術(shù)將輸出電容中的存儲(chǔ)電能降低了超過25%，（與上一代SuperFET技術(shù)相比，如圖所示），達(dá)到600V。

圖4輸出電容中的存儲(chǔ)電能，額定阻抗為190mOhm的器件

在50W功率范圍，MOSFET中的負(fù)載電流極小，這種極低的電流水平導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)輸出電容的充電時(shí)間很長(zhǎng)。在這種情況下，MOSFET結(jié)點(diǎn)的開關(guān)損耗最小，由于輸出電容放電，大部分開關(guān)損耗發(fā)生在硬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)。圖5顯示小負(fù)載電流時(shí)的關(guān)斷示例。即使柵極電壓(CH1)已為零，漏極電流(CH3)仍在流動(dòng)。此電流實(shí)際上正在對(duì)輸出電容充電。因此，輸出電容中較少的存儲(chǔ)電能此時(shí)是關(guān)鍵因素，SuperFETII技術(shù)應(yīng)在給定系統(tǒng)中具有更小的開關(guān)損耗。

圖51A負(fù)載電流時(shí)的關(guān)斷波形

90+效率

在高端冰箱的開關(guān)電源中，主要目標(biāo)是在7.7%到23.2%負(fù)載下實(shí)現(xiàn)90%或更高的效率。傳統(tǒng)超極結(jié)技術(shù)設(shè)備不容易實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。而SuperFETII技術(shù)可解決此問題。將FCp380N60應(yīng)用于主開關(guān)時(shí)，7.7%負(fù)載時(shí)的效率變?yōu)?0.53%，如圖3所示，這得益于輸出電容中較少的存儲(chǔ)電能和卓越的開關(guān)性能。在重負(fù)載條件下，與傳統(tǒng)190mOhm超極結(jié)MOSFET的效率差距與傳統(tǒng)380mOhm超極結(jié)MOSFET相比還要小得多。

結(jié)論

新的SuperFETII技術(shù)MOSFET、屏蔽柵極溝道MOSFET和同步整流器控制器包含高效率開關(guān)電源的完整解決方案，適用于高端冰箱。它在多數(shù)負(fù)載范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)超過90%的效率。

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