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通過屏蔽柵極和電荷平衡高電壓技術(shù)設(shè)計的效率90%+開關(guān)電源

鉅大LARGE  |  點擊量:1240次  |  2020年02月12日  

節(jié)約家庭使用能源有助于保護環(huán)境,對電費支出也有很大的影響。冰箱一周7天,一天24小時上電,因此有高效的開關(guān)電源至關(guān)重要。特別是,輕負載效率是冰箱開關(guān)電源的一個大問題,因為冰箱門大多數(shù)時候是保持關(guān)閉的。為了減少浪費的能源,高端冰箱的行業(yè)要求是:在7.7%到23.2%負載時,開關(guān)電源的效率應(yīng)高于90%。同時在其他電源負載時,也盡可能需要更高的效率。新的功率半導(dǎo)體技術(shù)有助于提高效率。本文介紹高端冰箱電源的全面解決方案。通過結(jié)合一流的屏蔽柵極TrenchpowerMOSFET技術(shù)和電荷平衡高電壓MOSFET技術(shù),已設(shè)計出輕負載時效率超過90%的開關(guān)電源。


額定功率、拓撲和目標(biāo)設(shè)備

高端冰箱的典型額定功率大約為50W,最大功率可達65W。在此功率范圍內(nèi),反激拓撲是同時考慮性能和成本的最佳選擇。此外,重負載條件下時同步整流器對于實現(xiàn)高效率是必需的。對于主要電源開關(guān),選擇超級結(jié)MOSFET可提高效率。圖1顯示初始設(shè)計的功率損耗。



圖1效率曲線


在初始設(shè)計中,將100V8.5mOhm屏蔽柵極TrenchpowerMOSFET應(yīng)用于次級同步整流器,將600V190mOhm超級結(jié)MOSFET用于主開關(guān)。但是,7.7%負載時的效率仍低于90%。整個系統(tǒng)中的功率損耗在此負載條件下僅為454mW。這意味著應(yīng)降低每個小功率損耗以符合要求。



圖2功率損耗詳情


圖2顯示初始設(shè)計的功率損耗明細。它表明開關(guān)損耗在輕負載時占主要部分,而導(dǎo)通損耗幾乎可忽略。即使在滿載條件下,開關(guān)損耗也在總損耗中占據(jù)極大一部分?;诖藫p耗分析,評估了380mOhmMOSFET,其寄生電容小得多。同步整流器MOSFET也替換為15mOhmMOSFET。圖3顯示設(shè)備更換后的效率曲線。7.7%負載時的效率為89.93%。也可選擇使用更高的導(dǎo)通電阻器件,但會在重負載范圍時造成效率下降。55W負載時已降低0.8%。因此,更高導(dǎo)通電阻用于主開關(guān)不可行。此時可求助于新技術(shù)MOSFET。



圖3效率曲線


最新MOSFET技術(shù)

克服硅限制的其中一個努力是在高電壓功率MOSFET中采用超極結(jié)技術(shù)。此技術(shù)可同時顯著降低導(dǎo)通電阻和寄生電容,而其通常存在權(quán)衡取舍。由于寄生電容較小,這些超級結(jié)MOSFET具有極快的開關(guān)特性,從而可以減少開關(guān)損耗。在50W等小額定功率中,輸出電容中的存儲電能是較高效率級別的極重要參數(shù)。SuperFETII技術(shù)將輸出電容中的存儲電能降低了超過25%,(與上一代SuperFET技術(shù)相比,如圖所示),達到600V。



圖4輸出電容中的存儲電能,額定阻抗為190mOhm的器件


在50W功率范圍,MOSFET中的負載電流極小,這種極低的電流水平導(dǎo)致關(guān)斷時輸出電容的充電時間很長。在這種情況下,MOSFET結(jié)點的開關(guān)損耗最小,由于輸出電容放電,大部分開關(guān)損耗發(fā)生在硬開關(guān)導(dǎo)通時。圖5顯示小負載電流時的關(guān)斷示例。即使柵極電壓(CH1)已為零,漏極電流(CH3)仍在流動。此電流實際上正在對輸出電容充電。因此,輸出電容中較少的存儲電能此時是關(guān)鍵因素,SuperFETII技術(shù)應(yīng)在給定系統(tǒng)中具有更小的開關(guān)損耗。



圖51A負載電流時的關(guān)斷波形


90+效率

在高端冰箱的開關(guān)電源中,主要目標(biāo)是在7.7%到23.2%負載下實現(xiàn)90%或更高的效率。傳統(tǒng)超極結(jié)技術(shù)設(shè)備不容易實現(xiàn)此目標(biāo)。而SuperFETII技術(shù)可解決此問題。將FCp380N60應(yīng)用于主開關(guān)時,7.7%負載時的效率變?yōu)?0.53%,如圖3所示,這得益于輸出電容中較少的存儲電能和卓越的開關(guān)性能。在重負載條件下,與傳統(tǒng)190mOhm超極結(jié)MOSFET的效率差距與傳統(tǒng)380mOhm超極結(jié)MOSFET相比還要小得多。


結(jié)論

新的SuperFETII技術(shù)MOSFET、屏蔽柵極溝道MOSFET和同步整流器控制器包含高效率開關(guān)電源的完整解決方案,適用于高端冰箱。它在多數(shù)負載范圍內(nèi)可實現(xiàn)超過90%的效率。


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