3000W高頻高效全橋軟開關(guān)電源選用的低通態(tài)損耗單管開關(guān)MOSFET新器件
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摘要：IR公司最新推出的低導通電阻MOSFET功率管IRFPS37N50A，使全橋變換器只需采用二個MOSFET和二個IGBT就能實現(xiàn)軟開關(guān)電源單機輸出功率3000W。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/233439.htm關(guān)鍵詞：功率MOSFET 低導通電阻 低損耗 大電流特性
1 引言
IRFPS37N50A是IR公司1999年6月在中國剛推出的最新低導通電阻、低損耗、高性能功率MOSFET（又稱HEXFET）。它是繼IRFP460（1985）、IRFP460LC（1994）之后又一次重大技術(shù)革新，
是功率MOSFET器件在大電流特性方面追趕IGBT的一次質(zhì)的飛躍。在相同的500V最大漏極擊穿電壓條件下，它使全橋變換器只需要采用二個MOSFET和二個IGBT管，就能實現(xiàn)軟開關(guān)電源單機輸出功率達到3000W。
為滿足開關(guān)電源的特殊需要，
IRFPS37N50A管的外殼尺寸設(shè)計，完全相同于原有的IRFP460/460LC等。請注意到它的塑料外殼中心，并沒有穿孔隙作固定！它是用彈性簧片將功率管殼壓緊在散熱器上（二者之間涂導熱硅脂）。新的SUPER－247封裝見圖1，最大限度地留下空間來擴充功率密度，大大降低了MOSFET的導通電阻值（由原ROS(On)=0.27Ω減小到0.13Ω），使通態(tài)損耗降低了50％，工作電流從20A大幅提高到36A！
反映三代功率MOSFET特性參數(shù)的主要數(shù)據(jù)，見表1：
當采用四只IRFP460或IRFP460LC組成全橋軟開關(guān)電源變換器時，它的額定輸出功率為1000W～1500W，這是因為它們的最大工作電流在20A（管殼溫度25℃）～12A（管殼溫度100℃），實際工作狀態(tài)下的最大電流約為16A（管殼溫度60℃）。所以要實現(xiàn)3000W高頻開關(guān)電源單機輸出功率，
需要采用8只MOSFET雙雙并聯(lián)組成ZVS軟開關(guān)全橋變換器，見圖2，
但額定輸出功率時的電源整機效率只有87％。新問世的低導通電阻、低損耗MOSFET管IRFPS37N50A，其最大工作電流在36A（管殼溫度25℃）～23A（管殼溫度100℃），實際工作狀態(tài)下的最大電流約為30A（管殼溫度60℃）。因此，只要散熱良好，采用四只單管（兩只IRFPS37N50A和兩只IGBT）就能實現(xiàn)3000W輸出功率的開關(guān)電源。實用的3000W、50kHzZVS－ZCS全橋軟開關(guān)電源電路見圖3，其電源整機效率可達到90％或者更高。
2 IRFPS37N50A的主要電氣參數(shù)與特性曲線
IRFPS37N50A主要用于開關(guān)模式電源（SMPS）、不間斷電源（UPS）、高速功率開關(guān)等。在全橋變換器、功率因數(shù)校正升壓器中有廣泛應(yīng)用。它具有三項優(yōu)點：
表1 IR公司三代MOSFET器件性能的比較
| 參數(shù) | 名稱 | 第三代IRFP460（1985） | 第四代IRFP460LC（1994） | 第五代IRFPS37N50A（1998） |
| 封裝 | 外形 | TO-247 | TO-247 | SUPER-247 |
| BVDSS（V） | 漏-源擊穿電壓 | 500 | 500 | 500 |
| ID（On)(A) | 通態(tài)漏極電流 | 20 | 20 | 36 |
| RDS(On)(Ω) | 通態(tài)電阻 | 0.27 | 0.27 | 0.13 |
| EAS(mJ) | 重復(fù)尋崩能量 | 28 | 28 | 44 |
| Ciss(pF) | 輸入電容 | 4200 | 3600 | 5579 |
| Coss(pF) | 輸出電容 | 870 | 440 | 810 |
| Crss(pF) | 反向傳輸電容 | 350 | 39 | 36 |
| Qg(nC) | 總柵電荷 | 210 | 120 | 180 |
| Qgs(nC) | 柵-源電荷 | 29 | 32 | 46 |
| Qgd(nC) | 柵-漏Miller電荷 | 110 | 49 | 71 |
| td(on)(ns) | 導通延遲時間 | 18 | 18 | 23 |
| tr(ns) | 上升時間 | 59 | 77 | 98 |
| td(off)(ns) | 關(guān)斷延遲時間 | 110 | 40 | 52 |
| tr(ns) | 下降時間 | 58 | 43 | 80 |
| VSD(V) | 體二極管正向壓降 | 1.8 | 1.8 | 1.5 |
| trr(ns) | 體二極管反向恢復(fù)時間 | 570 | 570 | 570 |
表2 絕對最大額定值
| 參數(shù)值 | 最大值 | 單位 | |
| ID@ Tc=25℃ | 連續(xù)導通的漏極電流，VGS@ 10V | 36 | A |
| ID@ Tc=100℃ | 連續(xù)導通的漏極電流，VGS@ 10V | 23 | |
| IDM | 脈沖漏極電流 | 144 | |
| PD@ Tc=25℃ | 功率損耗 | 446 | W |
| 線性減少額定值因數(shù) | 3.6 | W/℃ | |
| VGS | 柵極-源極電壓 | 30 | V |
| dv/dt | 峰值二極管恢復(fù)dv/dt | 3.5 | V/ns |
| Tj TSTG | 工作結(jié)溫和儲存溫度范圍 | -55 to+150 | ℃ |
| 焊接溫度（10秒內(nèi)） | 300(1.6mm離管殼） |
表3 靜態(tài)電氣參數(shù)（除非另外特殊說明）
| 參數(shù) | 最小 | 典型 | 最大 | 單位 | 條件 | |
| V（BR）DSS | 漏極-源極擊穿電壓 | 500 | - | - | V | VGS=0V, ID=250μA |
| RDS（on） | 靜態(tài)漏極-源極導通電阻 | - | - | 0.13 | Ω | VGS=10V, ID=22A |
| VGS(th) | 梵極門發(fā)電壓 | 2.0 | - | 4.0 | V | IDS=VGS, ID=250μA |
| IDSS | 漏極-源極漏電流 | - | - | 25 | μA | VDS=500V, VGS=0V |
| - | - | 250 | VDS=400, VGS=0V,Tj=150℃ | |||
| IGSS | 柵極-源極反向漏電流 | - | - | 100 | nA | VGS=30V |
| - | - | -100 | VGS=-30V |
表4 IRFPS37N50A動態(tài)電氣參數(shù)（除非另外特殊說明）
| 參數(shù) | 最小 | 典型 | 最大 | 單位 | 條件 | |
| gfs | 正向跨導 | 20 | - | - | s | VDS=50V,ID=22A |
| Qg | 總柵電荷 | - | - | 180 | nC | ID=36A, VDS=400A, VGS=10V,見圖12 |
| Qgs | 柵極-源極電荷 | - | - | 46 | ||
| Qgd | 柵-漏極（Miller)電荷 | - | - | 71 | ||
| td(on) | 導通延遲時間 | - | 23 | - | ns | VDD=250 I36=A RG=2.15Ω RD=7.0Ω |
| tr | 上升時間 | - | 98 | - | ||
| td(off) | 截止延遲時間 | - | 52 | - | ||
| tf | 下降時間 | - | 80 | - | ||
| Ciss | 輸入電容 | - | 5579 | - | pF | VGS=0V VDS=25V f=1.0MHz,見圖11 |
| Coss | 輸出電容 | - | 810 | - | ||
| Crss | 反向傳輸電容 | - | 36 | - | ||
| Coss | 輸出電容 | - | 7905 | - | VGS=0V,VDS=1.0V, f=1.0MHz | |
| Coss | 輸出電容 | - | 221 | - | VGS=0V,VDS=400V, f=1.0MHz | |
| Coss eff. | 有效輸出電容 | - | 400 | - | VGS=0V, VDS=0V～400V | |
| EAS | 單脈沖雪崩能量 | - | 1260 | mJ | ||
| IAR | 雪崩電流 | - | 36 | A | ||
| EAR | 重復(fù)雪崩能量 | - | 44 | mJ | ||
| RθJC | 結(jié)-管殼 | - | 0.28 | ℃/W | ||
| RθCS | 管殼-散熱片、平板玻璃、聚脂表面 | 0.24 | - | |||
| RθJA | 結(jié)-環(huán)境 | - | 40 | |||
| Is | 連續(xù)導通源極電流（體二極管） | - | - | 36 | A | MOSFET 符號表示 整體反接 PN結(jié)極管 |
| ISM | 脈沖源極電流（體二極管） | - | - | 144 | ||
| VSD | 二極管正向電壓 | - | - | 1.5 | V | TJ=25℃,Is=36A VGS=0V |
| trr | 反向恢復(fù)時間 | - | 570 | 860 | ns | TJ=25℃,IF=36A di/dt=100A/μs |
| Qrr | 反向恢復(fù)電荷 | - | 8.6 | 13 | μC | |
| ton | 正向?qū)〞r間 | 本征導通時間可以忽略（導通由Ls+LD支配） | ||||
（1）低的柵極電荷Qg，
導致了簡化驅(qū)動要求；
（2）改進了柵極雪崩和動態(tài)dv/dt強度；
（3）充分地賦予了容量特性和雪崩電壓、雪崩電流特性。
其絕對最大額定值見表2。靜態(tài)電氣參數(shù)見表3。
其最大的漏極電流與管殼溫度關(guān)系見圖4。
最大雪崩能量與漏極電流關(guān)系見圖5。
動態(tài)電氣參數(shù)見表4。典型的輸出特性見圖6、圖7。
典型的傳輸特性見圖8，歸一化的導通電阻與溫度關(guān)系見圖9，最大有效瞬態(tài)熱阻抗（結(jié)—管殼）見圖10。
典型的電容與漏-源電壓關(guān)系見圖11。
典型的柵極電荷與柵-源電壓關(guān)系見圖12。
典型的源-漏二術(shù)管正向電壓見圖13。
最大的安全工作區(qū)域見圖14。
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