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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

摘要:IR公司最新推出的低导通电阻MOSFET功率管IRFPS37N50A,使全桥变换器只需采用二个MOSFET和二个IGBT就能实现软开关电源单机输出功率3000W。

 
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-247TO-247SUPER-247
BVDSS(V)漏-源击穿电压500500500
ID(On)(A)通态漏极电流202036
RDS(On)(Ω)通态电阻0.270.270.13
EAS(mJ)重复寻崩能量282844
Ciss(pF)输入电容420036005579
Coss(pF)输出电容870440810
Crss(pF)反向传输电容3503936
Qg(nC)总栅电荷210120180
Qgs(nC)栅-源电荷293246
Qgd(nC)栅-漏Miller电荷1104971
td(on)(ns)导通延迟时间181823
tr(ns)上升时间597798
td(off)(ns)关断延迟时间1104052
tr(ns)下降时间584380
VSD(V)体二极管正向压降1.81.81.5
trr(ns)体二极管反向恢复时间570570570

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@ 10V36A
ID@ Tc=100℃连续导通的漏极电流,VGS@ 10V23
IDM脉冲漏极电流144
PD@ Tc=25℃功率损耗446W
 线性减少额定值因数3.6W/℃
VGS栅极-源极电压30V
dv/dt峰值二极管恢复dv/dt3.5V/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--VVGS=0V,
ID=250μA
RDS(on)静态漏极-源极导通电阻--0.13ΩVGS=10V,
ID=22A
VGS(th)梵极门发电压2.0-4.0VIDS=VGS,
ID=250μA
IDSS漏极-源极漏电流--25μAVDS=500V,
VGS=0V
--250VDS=400,
VGS=0V,Tj=150℃
IGSS栅极-源极反向漏电流--100nAVGS=30V
---100VGS=-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--sVDS=50V,ID=22A
Qg总栅电荷--180nCID=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-nsVDD=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-pFVGS=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 -1260mJ 
IAR雪崩电流 -36A 
EAR重复雪崩能量 -44mJ 
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)--36AMOSFET
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--1.5VTJ=25℃,Is=36A
VGS=0V
trr反向恢复时间-570860nsTJ=25℃,IF=36A
di/dt=100A/μs
Qrr反向恢复电荷-8.613μC 
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。
 
 


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