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2017.04.06 AC/DC

設計絕緣型返馳式轉換器電路:決定主要零件-MOSFET相關之1

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

8A_mosfet

設計好變壓器後,接著輪到開關元件,本節選出MOSFET Q1和組成相關電路。

一開始根據開關電壓和電流等決定MOSFET Q1。此部分將在本稿「決定主要零件-MOSFET相關之1」中說明。

接著決定調整MOSFET閘極驅動的電路、二極體 D4、電阻R5、R6,以及限制電流和斜率補償上必要的電流檢測電阻R8。這部分將在「決定主要零件-MOSFET相關之2」中說明。

先說明此部分電路如何運轉。以D4、R5、R6調整從IC的OUT(PWM輸出)端輸出的信號,讓MOSFET Q1能夠正確運轉,然後再驅動MOSFET的閘極。MOSFET Q1開/關經過整流且流向變壓器 T1一次側的高電壓,將其能量傳送至二次側。Q1開啟時Ids流動,但因為並非無限制流動,是故利用R8檢測電流並加以限制。請參照「設計絕緣型返馳式轉換器電路」中的整體電路內容。

決定MOSFET Q1

我希望大家先知道,只有紙上談兵是難以選出MOSFET的,仍然必須仰賴過往的經驗法則。因此,最後實際拿取裝置,確認必須降額至哪個程度後,再來決定MOSFET。

在決定MOSFET時,有下列幾個基本事項須先討論一下。

  • 最大汲極-源極之間的電壓(Vds)
  • 峰值電流
  • 導通電阻(Ron)造成的損耗
  • 封裝最大容許損耗(Pd)

未曾有過相關經驗法則時,將沒有任何根據幫助自己做出選擇,此時可以考慮Vds和Ids。

① Vds(max)

可經由下列公式算計Vds(max)。

Vds(max) = Vin(max)+VOR+Vspike
=264V×1.41+(12V+1V)×30/6+Vspike=437V+Vspike*

VOR:VO=Vout+VF乘上變壓器線圈比Np:Ns,參照「設計變壓器(計算數值)」。
Vin(max):可因應的最大AC峰值電壓(264V×√2)
Vspike:電壓尖波

*不容易算出Vspike,因此在本例題中,在追加緩衝電路追加此一前提下,根據經驗法則決定為400V。

② Ids

Ids以選擇 Ippk×2 左右的元件為標準。根據「設計變壓器(計算數值)」, Ippk=2.32A

Ids=2.32×2=4.64A

根據上述結果,選出Vds(max)達800V左右、Ids達5A左右的MOSFET。範例電路使用了ROHM的R8005ANX(800V、5A)。另外,該MOSFET的導通電阻 1.6Ω,封裝則是TO-220F。

再來,實際使用上述的MOSFET,在電路測量Vds、Ids和發熱狀況,確認降額足夠。MOSFET開啟時間會在輸入電壓低的時候變長,因導通電阻Ron損耗所造成發熱也會變嚴重,當裝置一次側採用國際通用規格(AC85V~AC264V)時更是必須多加注意。必要時加裝散熱片減輕發熱狀況。

有時也會由MOSFET製造廠商提出測量損耗和進行確認的方法。下面提供例子供各位參考。

8A_MOSFET_loss

從截取的網頁複製畫面中的①開始,操作滑鼠依序點擊後,就可以閱覽計算元件溫度和判定能否使用的方法。對於實機操作時的確認作業應該有所幫助。

到此,終於決定好了MOSFET。至於閘極驅動調整電路和電流檢測電阻,將在「決定主要零件-MOSFET相關之2」中說明。

重點:

・主要考量汲極-源極的耐壓、峰值電流、導通電阻造成的損耗、封裝容許損耗,來決定開關用電晶體(MOSFET)。

・單純的紙上計算仍很難嚴謹地做出抉擇,仍須靠經驗法則和實際測量才行。

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