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。

    关键词：功率MOSFET  低导通电阻  低损耗  大电流特性

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

表2 绝对最大额定值

表3 静态电气参数（除非另外特殊说明）

表4 IRFPS37N50A动态电气参数（除非另外特殊说明）

（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。