原创 LED电源设计优化的功率器件考虑事项

介绍

LED照明应用中的开关电源在输入级越来越多地采用有源功率因数校正(PFC)设计，以期满足国际谐波规范要求。非连续导通模式(DCM)中的升压 拓扑是功率额定值小于300W转换器的最适合PFC方法。在这种拓扑中，升压开关的开通功率损耗可以忽略，而主要的功率损耗是关断损耗和导通损耗。在引入 了超级结器件之后，超级结器件通常被看作是一种针对有源PFC而优化的开关，因为它们具有极低的导通阻抗和高度非线性的电容曲线。对于下行转换器，LLC 谐振转换器被证明是非常高效的。由于LLC谐振转换器的零电压导通能力，导通损耗是主要的功率损耗，因此，开关功率器件的主要要求是低导通阻抗。由于器件 技术的发展，在中低功率范围的PFC和LLC应用中，平面型MOSFET对于超级结MOSFET而言是有竞争力的。考虑到器件的价格，平面型MOSFET 对200W负载以下应用更具吸引力。

开关电源中的功率损耗

在设计开关功率转换器时，估算功耗是选择功率器件的关键工作。PFC预调节器和LLC谐振转换器内功率器件的主要功率损耗是传导损耗和开关损耗。一 般来讲，在轻负载条件下，开关损耗占主导地，随着负载的增加，传导损耗占主导。栅极电荷(Qg)参数被广泛地用作开关速度，也就是开关损耗的衡量标志。由 于超低特定导通电阻带来更小的芯片尺寸，超级结MOSFET往往比相似额定值的普通平面型MOSFET具有更小的Qg。例如，如表1所 示，0.95Ω/600V超级结MOSFET的Qg甚至比1.6Ω/600V平面型MOSFET的要小。可以预期，在PFC或LLC转换器中，超级结 MOSFET都具有更小的开关损耗和导通损耗。这就是在开关电源中首选超级结技术作为功率开关的主要原因。但是，随着功率器件技术的进步，最新的平面型 MOSFET具有非常小的Qg。它的导通阻抗仍然高，但是在轻负载区域，应该具有竞争力。因为平面型技术约有30%的价格优势，在LED照明开关电源方面 值得对其进行评测。研究在PFC和LLC转换器中平面型MOSFET能够在何种功率水平下保持竞争力是很重要的。

评测结果

表1中的三种器件应用于DCM PFC和LLC谐振转换器，使用示波器测量开关损耗。因为在DCM PFC中开关电流随着每个开关周期而发生变化，假设损耗为图1所示的正弦波，测量交流电源输入电压峰值处的开关损耗，计算总体开关损耗数据。将工作频率与 每个开关周期的能量损耗相乘，计算出平均开关损耗。在DCM PFC中，导通时间一般是固定的，关断时间随电源输入电压而改变。从设计变量，可以推导出导通/关断时间以及每个开关周期的等效开关频率。在知道功率开关 的方均根电流时，就很容易评测出导通损耗。

在PFC中，开关电流是正弦波，所以可简单计算出均方根电流。在LLC谐振转换器中，谐振电流和磁化电流可分别假设为正弦波和三角波。如图2所示， 通过测量电流峰值可以计算出均方根值。表2为功率损耗的概要。可以确定在轻负载时，在PFC和LLC内开关损耗均占主导。重负载情况下，导通损耗如预计的 一样占主导。最新的平面型MOSFET在轻负载条件下性能超过超级结MOSFET。其在DCM PFC和LLC谐振转换器内均具有较小的功耗。负载为200W时，在LLC中的损耗要稍小些，但在DCM PFC中的损耗要大些。在200W负载下，整体损耗略高0.4W。

结论

使用DCM PFC和LLC谐振转换器评测了最新的平面型UniFETTM II的性能。200W负载条件下，其性能完全优于超级结器件。考虑到价格优势和性能因素，在设计中等功率LED照明应用开关电源时，应主要选择UniFET II技术。

表1 电气参数

图1 DCM PFC中能耗和开关频率的评测

图2 LLC谐振转换器中开关电流及其均方根数值

表2 功率损耗的总结