低损耗的IGBT／MOSFET并联开关在开关电源中的应用

低损耗的IGBT／MOSFET并联开关在开关电源中的应用 低损耗的IGBT,MOSFET并联开关在开 关电源中的应用 通信电源技术 《技术研究l薯略审拿々拿0拿搴搴 ,,低损耗的IGBT/MOSFET并联开关在 /6/开关电源中的应用 羔摘.构 使用MOSFET(或IGBT)的损耗,给出了在产品中的使用效果. 关键词薹递茎坚差Q?E量!旦王 1引言 为了提高开关电源的效率,减小体积和重量, 一 些制造商趋向于采用谐振,准谐振等软开关技 术,使开关管在零电压(ZVS)或零电流(ZCS)时 开关,降低开关损耗,提高开关频率.但其使用效 果并不十分理想,这主要是因为谐振或准谐振变 换电路目前还存在以下几个急待解决的问题.(a) 增加了开关管的电压或电流应力,如果采取电流 谐振,还会增加通态损耗;(b)谐振或准谐振变换 电路中总有一个与开关管并联或串联的二极管, 提供反向电流通路,因此存在续流损耗;(c)效率 随负载减小而明显降低;(d)频率不固定,控制电 路复杂,实现短路保护比较麻烦;(e)提高开关频 率虽然可以减小磁性元件尺寸,但也会增加铁损. 而频率固定的PWM控制的变换电路,则是 一 种从功率拓扑到控制都非常成熟的技术,具有 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 简单,电路可靠,易于生产,制造成本低等优 点.如果能在PWM变换电路中采用一些实用的 新技术,达到减小损耗,提高效率的目的,则是我 们所期望的.下面所介绍的IGBT/MOSFET并 联开关就是其中之一,通过使用并联开关,在几乎 不增加电路复杂性和制造成本的情况下,极大的 J觚 提高了PWM控制的开关电源性能 2开关器件简介 开关电源中采用的功率器件主要有三种:双 极晶体管(大功率开关三极管),MOSFET和IG BT. 双极晶体管作为一种比较成熟的产品,在早 期的开关电源中被普遍使用.三极管的饱和压降 基本上为一恒定值,且其值较低,一般在3V以 下,因此三极管的导通损耗小.但是,它是电流驱 动,少数载流子导电的器件,存在驱动电流大,开 关速度低以及二次击穿等缺点,因此目前在高频 开关电源中较少使用. ,IOPSFET(Metal0xideSemiconductorField EffectTransistor)即功率场效应管,与双极晶体 管不同,是电压驱动的多数载流子导电器件.这就 决定了其驱动电路简单,驱动功率小.由于是多数 载流子导电,不存在存储效应,因此上升和下降速 度快,储存时间短,开关损耗小,可以在很高的开关频率下工作.M0~SFET属于线性器件,导通时 呈电阻特性,且其电阻值随温度升高而增大,即 MOSFET具有正温度系数的特性.这一特性不仅 使其避免了双极性晶体管的二次击穿现象,而且 第2期李长明:低损耗的IGBT/MOSFET并联开关在开关电源中的应用 使得并联运行变得相当简单,MOSFET在并联运 行时无需增加任何均流措施.MOSFET的导通压 降可如下计算: =m?R一 式中:j一漏源电流 R一导通电阻 从上式可以看出,MOSFET在漏极电流小 时.导通压降小,在漏极电流比较大时,导通压降 会变得很大.另外,MOSFET的耐压和最大电流 都不能达到双极性晶体管那么高,而且,耐压高的 场效应管的导通电阻较大例如,5OOV左右的功 率场效应管的最大漏极电流(连续)一般在30A 左右,通态电阻(常温下)为O.3Q左右,在温度升 高的情况下,通态电阻还须乘以一个1?5,2—0的 系数,如果开关管的峰值电流为30A,那么其导通 压降可以由上式计算: V一(1.5,2..)×O,3×30—13,5,18(V) 由此可见,在高压大电流的情况下,功率场效 应管的通态损耗相当大,要降低通态损耗,可采取 多管并联方式.假设要使上面的13.5,18V的压 降降到3V以下,则必须并联5,6个场效应管. 但是多个MOSFET并联会增加寄生输出电容的 储能,增大开通损耗,而且还会增大驱动功率 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,即 门极绝缘双极晶体管)是近几年发展起来的一种 功率场效应管和三极管的复合器件,如图1所示. 它与场效应管一样,属电压驱动器件,具有驱动电 路简单,开关速度快的优点.同时,又具有类似于 三极管的低导通压降(如IRGPCSOF,600V,70A, 最大饱和压降1.7V).因此,在目前的大功率开关 电源中应用相当普遍由于其输出具有三极管的 特性,当然就与三极管一样,具有存储效应,这就 决定了其关断时间长IGBT关断时,电流下降存 在一个拖尾现象,关断特性如图2所示.其拖尾时 间根据不同的IGBT种类而不同,一般高速IG— BT拖尾时间在0.4,0.8s,低速IGBT则达到 ls甚至更高.这就决定了IGBT的关断损耗较 大图3表示MOSFET和IGBT关断特性比 较. 1 flc 图1IGBT等放电路 一一一 ? … |_ {l::电流拖 尾 I/!: —v叶,一,,一,', : 匿2IGBT的关断特性 匿3MOSFET和IGBT关断特性比较 3IGBT/MOSFET并联开关 3.1组成 由上面的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可以看出,在大功率开关电源 中,采用MOSFET作开关管,虽然开关损耗小, 但其导通时压降太大,通态损耗让人不能接受;采 用IGBT,其通态损耗小,但关断损耗却非常大. 如果将这两种功率器件组合起来,通过适当的驱 动控制,如图4(a)所示,就可组成一十分理想的 组合开关,使其既具有IGBT的通态损耗小,又有 通信电源技术1997年6月 MOSFET开关损耗小的特点 3.2工作原理 组合开关的工作原理如图4(b)所示,由于 MOSFET和IGBT的导通速度都很快,其驱动渡 形前沿(上升沿)是一致的,即MOSFET和IGBT 同时导通.由于IGBT的导通压降小,因此主要由 IGBT起作用而关断时,MOSFET驱动渡形后 沿(下降沿)较IGBT驱动波形的下降沿有一滞后 时间Td,也就是说,当IGBT关断时,MOsFET )组音开关构成 4应用 继续导通,IGBT的电流逐渐转移到MOSFET, 经过Td时间后,IGBT的拖尾电流降到零,IGBT 完全关断,电流全部流过MOSFET,这时再关断 MOSFET.很明显,组合开关的总损耗等于IGBT 的通态损耗和在Td时闻内MOSFET的通态损 耗,再加MOSFET的关断损耗可以看出,控制 Td时间的长短,对并联开关的损耗有很大的影 响. 1: 1: 图4MOSFET和IGBT并联开关 上述并联开关由于具有低损耗的特点,因此 在武汉洲际通信电源集团公司生产的开关电源中 广泛采用.如DMA10—48/100,DMA12—48/50和 DMA12--48/70等开关电源模块的DCDC变换 电路中以及DMA12-48/50和48/70功率因数电 路中的所有开关管均为MOsFET和IGBT并联 开关.下面仅以DMA12--48/70的DC—DC变换 电路为倒,分析用IGBT/MOSFET并联开关作 开关时的损耗,并与只用MOSFET或只用IGBT 作开关的情况相比较 图5为DMA12—48/70开关电源DC-DC变 换的拓扑电路图,Uin为交流输入经升压式功率 因数校正后得到的直流电压,最大值为440V,开 关管峰值电流为28A,因此,选择开关管时,必须 满足耐压500V,峰值电流40A,有效电流20A以 ,Jn (b)工作原理 I{=I.一 .l ——I 『_7一u一?, 强vI flI 图5半桥Dc—Dc变换电路 上,以适应极限情况.实际选用的MOSFET为 IRFP460(500V,27A,R『圳一0.27Q),IGBT为 IRGPc5OF(600V,50A,V=1.7v).为了减小 开关损耗,工作频率设计在22kHz,最大的导通时 间为18s,最大一1.5,us.那么,在最坏情况(结 温14O?)时,每个IGBT/M0sFET并联开关的 组个,??? 第2期李长明:低损耗的IGBT/MOSFET并联开关在开关电源中的应用 损耗可计算如下: (1)通态损耗 V…,×('一n)--0.78(mJ) E=I× (2)关断损耗 IGBT/MOSFET并联开关的关断损耗由两 部分组成: (a)在T时间内的MOSFET的通态损耗, 在结温14O?时,/G.一0.53Q 根据公式:E=I×R如×Y 可算出损耗为0.62mJ (b)MOSFET的关断损耗 由于受并联吸收回路的影响.又不知道电压 和电流的确切关系.这项损耗很难计算根据估算 和开关测试的结果.无论高低温,截止损耗均 在0.1mJ左右. 总损耗为:E=E+E+E.=1.5(州) P=×fs=1.5mJ×22kHz 一33W 而实际测试结果约为:23W(在100C壳温时测). 如果采用单一MOSFET作开关管,其损耗 可计算如下: 通态损耗:E埘一J×R一×Y=7.5(州) 总损耗为7.6mJ,167W 如果采用单一IGBT作开关管.其损耗可计 算如下: 通态损耗:匕=1×,×Y一0.8(mJ) 截止损耗约为7mJ 总损耗为7.86rM,173W 由上面的计算结果可以很清楚的看出,IG— BT/MOSFET并联开关的损耗只有单独使用 MOSFET或IGBT的损耗的1/6左右. 5结论 通过采用IGBT/M0sFET并联开关, 48/loo模块效率可达91,DMA12—48/ DMA10— 50.DMA1248/70模块效率可达93(在 DMA12模块中还在功率校正部分采用了无损耗 阻尼阿络,参看参考文献2,如图6所示 图6DMA12—48/70模块效率曲线 在PWM控制的开关电源中,通过使用IG— BT/M0sFET并联开关等新技术,不仅可以获得 如上所述的高效率,而且可以在不很高的工作频 率提高模块的功率密度.提供良好的EMI抑制能 力.如在自然冷却条件下,DMA12—48/50外形尺 寸为:266mm×134ram×340mm(高×宽×深), 重量不超过15kg,且EMI能满足VDE0871标准 的规定 参考文献 1Y.M.Jiang.G.C.hua.E.YangandF. C.Lee.Soft—SwitchingofIGBTswith theHelpofMOSFETs.1993VPEC. 2LauritzenP.OandSmithH.A.ANon— dissipativeSnubberEffectiveOveraW— ideRangeofOperatingConditions. IEEEPESC1983 8KeithBillings.S~itchmodePowerSup— plyHandbook.1989 (收罄日期:1997—04—05)