通过屏蔽栅极和电荷平衡高电压技术设计的效率90%+开关电源

节约家庭使用能源有助于保护环境，对电费支出也有很大的影响。 冰箱一周7天，一天24小时上电，因此有高效的开关电源至关重要。 特别是，轻负载效率是冰箱开关电源的一个大问题，因为冰箱门大多数时候是保持关闭的。 为了减少浪费的能源，高端冰箱的行业要求是：在7.7%到23.2%负载时，开关电源的效率应高于90%。 同时在其他电源负载时，也尽可能需要更高的效率。新的功率半导体技术有助于提高效率。 本文介绍高端冰箱电源的全面解决方案。通过结合一流的屏蔽栅极Trench Power MOSFET技术和电荷平衡高电压MOSFET技术，已设计出轻负载时效率超过90%的开关电源。

额定功率、拓扑和目标设备

高端冰箱的典型额定功率大约为50W，最大功率可达65W。 在此功率范围内，反激拓扑是同时考虑性能和成本的最佳选择。 此外，重负载条件下时同步整流器对于实现高效率是必需的。 对于主要电源开关，选择超级结MOSFET可提高效率。 图 1显示初始设计的功率损耗。

图 1 效率曲线

在初始设计中，将100V 8.5mOhm屏蔽栅极Trench Power MOSFET应用于次级同步整流器，将600V 190mOhm超级结MOSFET用于主开关。但是，7.7%负载时的效率仍低于90%。 整个系统中的功率损耗在此负载条件下仅为454mW。 这意味着应降低每个小功率损耗以符合要求。

图 2  功率损耗详情

图 2显示初始设计的功率损耗明细。 它表明开关损耗在轻负载时占主要部分，而导通损耗几乎可忽略。 即使在满载条件下，开关损耗也在总损耗中占据极大一部分。 基于此损耗分析，评估了380mOhm MOSFET，其寄生电容小得多。 同步整流器MOSFET也替换为15mOhm MOSFET。 图 3显示设备更换后的效率曲线。 7.7%负载时的效率为89.93%。 也可选择使用更高的导通电阻器件，但会在重负载范围时造成效率下降。 55W负载时已降低0.8%。 因此，更高导通电阻用于主开关不可行。 此时可求助于新技术MOSFET。

图 3 效率曲线

最新 MOSFET 技术

克服硅限制的其中一个努力是在高电压功率MOSFET中采用超极结技术。 此技术可同时显著降低导通电阻和寄生电容，而其通常存在权衡取舍。 由于寄生电容较小，这些超级结 MOSFET 具有极快的开关特性，从而可以减少开关损耗。 在50W等小额定功率中，输出电容中的存储电能是较高效率级别的极重要参数。 SuperFET® II技术将输出电容中的存储电能降低了超过25%，（与上一代SuperFET®技术相比，如图所示），达到600V。 

图 4  输出电容中的存储电能，额定阻抗为190mOhm的器件

在50W功率范围，MOSFET中的负载电流极小，这种极低的电流水平导致关断时输出电容的充电时间很长。 在这种情况下，MOSFET结点的开关损耗最小，由于输出电容放电，大部分开关损耗发生在硬开关导通时。 图 5显示小负载电流时的关断示例。 即使栅极电压(CH1)已为零，漏极电流(CH3)仍在流动。 此电流实际上正在对输出电容充电。 因此，输出电容中较少的存储电能此时是关键因素，SuperFET® II技术应在给定系统中具有更小的开关损耗。

图 5  1A负载电流时的关断波形

90+效率

在高端冰箱的开关电源中，主要目标是在7.7%到23.2%负载下实现90%或更高的效率。 传统超极结技术设备不容易实现此目标。 而SuperFET® II技术可解决此问题。 将FCP380N60应用于主开关时，7.7%负载时的效率变为90.53%，如图 3所示，这得益于输出电容中较少的存储电能和卓越的开关性能。 在重负载条件下，与传统190mOhm超极结MOSFET的效率差距与传统380mOhm超极结MOSFET相比还要小得多。

结论

新的SuperFET® II技术MOSFET、屏蔽栅极沟道MOSFET和同步整流器控制器包含高效率开关电源的完整解决方案，适用于高端冰箱。 它在多数负载范围内可实现超过90%的效率。