3000W高频高效全桥软开关电源选用的低通态损耗单管开关MOSFET新器件

2006-05-07 15:49:48来源: 电源技术应用

1 引言

IRFPS37N50A是IR公司1999年6月在中国刚推出的最新低导通电阻、低损耗、高性能功率MOSFET(又称HEXFET)。它是继IRFP460(1985)、IRFP460LC(1994)之后又一次重大技术革新,是功率MOSFET器件在大电流特性方面追赶IGBT的一次质的飞跃。在相同的500V最大漏极击穿电压条件下,它使全桥变换器只需要采用二个MOSFET和二个IGBT管,就能实现软开关电源单机输出功率达到3000W。

为满足开关电源的特殊需要,IRFPS37N50A管的外壳尺寸设计,完全相同于原有的IRFP460/460LC等。请注意到它的塑料外壳中心,并没有穿孔隙作固定!它是用弹性簧片将功率管壳压紧在散热器上(二者之间涂导热硅脂)。新的SUPER-247封装见图1,最大限度地留下空间来扩充功率密度,大大降低了MOSFET的导通电阻值(由原ROS(On)=0.27Ω减小到0.13Ω),使通态损耗降低了50%,工作电流从20A大幅提高到36A!

反映三代功率MOSFET特性参数的主要数据,见表1:

当采用四只IRFP460或IRFP460LC组成全桥软开关电源变换器时,它的额定输出功率为1000W~1500W,这是因为它们的最大工作电流在20A(管壳温度25℃)~12A(管壳温度100℃),实际工作状态下的最大电流约为16A(管壳温度60℃)。所以要实现3000W高频开关电源单机输出功率,需要采用8只MOSFET双双并联组成ZVS软开关全桥变换器,见图2,但额定输出功率时的电源整机效率只有87%。新问世的低导通电阻、低损耗MOSFET管IRFPS37N50A,其最大工作电流在36A(管壳温度25℃)~23A(管壳温度100℃),实际工作状态下的最大电流约为30A(管壳温度60℃)。因此,只要散热良好,采用四只单管(两只IRFPS37N50A和两只IGBT)就能实现3000W输出功率的开关电源。实用的3000W、50kHzZVS-ZCS全桥软开关电源电路见图3,其电源整机效率可达到90%或者更高。

2 IRFPS37N50A的主要电气参数与特性曲线

IRFPS37N50A主要用于开关模式电源(SMPS)、不间断电源(UPS)、高速功率开关等。在全桥变换器、功率因数校正升压器中有广泛应用。它具有三项优点:

表1 IR公司三代MOSFET器件性能的比较

参数 名称 第三代IRFP460(1985) 第四代IRFP460LC(1994) 第五代IRFPS37N50A(1998)
封装 外形 TO-247 TO-247 SUPER-247
BVDSS(V) 漏-源击穿电压 500 500 500
ID(On)(A) 通态漏极电流 20 20 36
RDS(On)(Ω) 通态电阻 0.27 0.27 0.13
EAS(mJ) 重复寻崩能量 28 28 44
Ciss(pF) 输入电容 4200 3600 5579
Coss(pF) 输出电容 870 440 810
Crss(pF) 反向传输电容 350 39 36
Qg(nC) 总栅电荷 210 120 180
Qgs(nC) 栅-源电荷 29 32 46
Qgd(nC) 栅-漏Miller电荷 110 49 71
td(on)(ns) 导通延迟时间 18 18 23
tr(ns) 上升时间 59 77 98
td(off)(ns) 关断延迟时间 110 40 52
tr(ns) 下降时间 58 43 80
VSD(V) 体二极管正向压降 1.8 1.8 1.5
trr(ns) 体二极管反向恢复时间 570 570 570

表2 绝对最大额定值

 

参数值

最大值 单位
ID@ Tc=25℃ 连续导通的漏极电流,VGS@ 10V 36 A
ID@ Tc=100℃ 连续导通的漏极电流,VGS@ 10V 23
IDM 脉冲漏极电流 144
PD@ Tc=25℃ 功率损耗 446 W
  线性减少额定值因数 3.6 W/℃
VGS 栅极-源极电压 30 V
dv/dt 峰值二极管恢复dv/dt 3.5 V/ns
Tj TSTG 工作结温和储存温度范围 -55 to+150
  焊接温度(10秒内) 300(1.6mm离管壳)

表3 静态电气参数(除非另外特殊说明)

  参数 最小 典型 最大 单位 条件
V(BR)DSS 漏极-源极击穿电压 500 - - V VGS=0V,
ID=250μA
RDS(on) 静态漏极-源极导通电阻 - - 0.13 Ω VGS=10V,
ID=22A
VGS(th) 梵极门发电压 2.0 - 4.0 V IDS=VGS,
ID=250μA
IDSS 漏极-源极漏电流 - - 25 μA VDS=500V,
VGS=0V
- - 250 VDS=400,
VGS=0V,Tj=150℃
IGSS 栅极-源极反向漏电流 - - 100 nA VGS=30V
- - -100 VGS=-30V

表4 IRFPS37N50A动态电气参数(除非另外特殊说明)

  参数 最小 典型 最大 单位 条件
gfs 正向跨导 20 - - s VDS=50V,ID=22A
Qg 总栅电荷 - - 180 nC ID=36A,
VDS=400A,
VGS=10V,见图12
Qgs 栅极-源极电荷 - - 46
Qgd 栅-漏极(Miller)电荷 - - 71
td(on) 导通延迟时间 - 23 - ns VDD=250
I36=A
RG=2.15Ω
RD=7.0Ω
tr 上升时间 - 98 -
td(off) 截止延迟时间 - 52 -
tf 下降时间 - 80 -
Ciss 输入电容 - 5579 - pF VGS=0V
VDS=25V
f=1.0MHz,见图11
Coss 输出电容 - 810 -
Crss 反向传输电容 - 36 -
Coss 输出电容 - 7905 - VGS=0V,VDS=1.0V,
f=1.0MHz
Coss 输出电容 - 221 - VGS=0V,VDS=400V,
f=1.0MHz
Coss eff. 有效输出电容 - 400 - VGS=0V,
VDS=0V~400V
EAS 单脉冲雪崩能量   - 1260 mJ  
IAR 雪崩电流   - 36 A  
EAR 重复雪崩能量   - 44 mJ  
RθJC 结-管壳   - 0.28 ℃/W  
RθCS 管壳-散热片、平板玻璃、聚脂表面   0.24 -  
RθJA 结-环境   - 40  
Is 连续导通源极电流(体二极管) - - 36 A MOSFET
符号表示
整体反接
PN结极管
ISM 脉冲源极电流(体二极管) - - 144
VSD 二极管正向电压 - - 1.5 V TJ=25℃,Is=36A
VGS=0V
trr 反向恢复时间 - 570 860 ns TJ=25℃,IF=36A
di/dt=100A/μs
Qrr 反向恢复电荷 - 8.6 13 μC  
ton 正向导通时间 本征导通时间可以忽略(导通由Ls+LD支配)

(1)低的栅极电荷Qg,导致了简化驱动要求;

(2)改进了栅极雪崩和动态dv/dt强度;

(3)充分地赋予了容量特性和雪崩电压、雪崩电流特性。

其绝对最大额定值见表2。静态电气参数见表3。

    其最大的漏极电流与管壳温度关系见图4。

最大雪崩能量与漏极电流关系见图5。

动态电气参数见表4。典型的输出特性见图6、图7。

典型的传输特性见图8,归一化的导通电阻与温度关系见图9,最大有效瞬态热阻抗(结—管壳)见图10。

    典型的电容与漏-源电压关系见图11。

    典型的栅极电荷与栅-源电压关系见图12。

    典型的源-漏二术管正向电压见图13。

    最大的安全工作区域见图14。

   

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2128.html
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