低损耗的IGBT／MOSFET并联开关在开关电源中的应用.doc

低损耗的IGBTMOSFET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QE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IGBT.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(Metal0xideSemiconductorFieldEffectTransistor)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.M0SFET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?520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(1.52.)O,33013,518(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13.518V的压降降到3V以下,则必须并联56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IGBT拖尾时间在0.40.8s,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.1flc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DMA1048/100,DMA1248/50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DCDC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DMA1248/70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.lI_7一u一,强vIflI图5半桥DcDc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,50AV=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E=IV,(一n)-0.78(mJ)(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=IR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=1.5mJ22kHz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JR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=1Y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,IGBT/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,DMA1048/loo模块效率可达91,DMA1248/50.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6DMA1248/70模块效率曲线在PWM控制的开关电源中,通过使用IGBT/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,DMA1248/50外形尺寸为:266mm134ram340mm(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.SoftSwitching