如何計(jì)算MOSFET實(shí)際應(yīng)用中的損耗

功率半導(dǎo)體自20世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來，至今形成以二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等為代表的多世代產(chǎn)品體系。新技術(shù)、新產(chǎn)品的誕生拓寬了原有產(chǎn)品和技術(shù)的應(yīng)用范圍，適應(yīng)更多終端產(chǎn)品的需求，MOSFET同樣衍生出GaN，SiC新型材料的產(chǎn)品去覆蓋更高功率密度、更高電壓、以及高開關(guān)速度的應(yīng)用場(chǎng)景。MOSFET呈現(xiàn)多世代并存的特點(diǎn)。本文基于規(guī)格書的參數(shù)去計(jì)算MOSFET實(shí)際應(yīng)用中的損耗，幫助工程師做設(shè)計(jì)選型參考。

通常在開關(guān)模式下運(yùn)行的MOSFET的功率損耗 (Pt) 可分為三種：

1. 導(dǎo)通損耗 (Pc)

2.?開關(guān)損耗 (Psw)

3.?泄漏損失 (Pb)，通常被忽略

因此，在開關(guān)模式運(yùn)行MOSFET損耗：

導(dǎo)通損耗Pc

1. 導(dǎo)通損耗Pc和體內(nèi)二極管損耗Pcd計(jì)算

功率MOSFET中的損耗可以用漏極-源極導(dǎo)通電阻 (RDSon) 的MOSFET近似值計(jì)算：

UDS和ID分別是漏源電壓和漏電流

典型RDSon可從數(shù)據(jù)手冊(cè)圖中讀取，如圖1所示，其中ID為MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)電流

圖1 漏源電阻與漏電流的函數(shù)關(guān)系(TJ = 25°C時(shí))

因此通過開關(guān)周期內(nèi)瞬時(shí)功率損耗的積分可以給出MOSFET傳

其中，IDrms為MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)電流的有效值

2. 二極管導(dǎo)通損耗

反并聯(lián)二極管的傳導(dǎo)損耗可以使用二極管近似來估算，近似具有代表二極管導(dǎo)通狀態(tài)零電流電壓的DC電壓源(uD0)和二極管導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RD)的串聯(lián)連接，uD是二極管兩端的電壓，如果通過二極管的電流：

這些參數(shù)可以從圖2所示的MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)的圖表中讀取。為了考慮參數(shù)變化，從而進(jìn)行保守計(jì)算，從圖表中讀取的UD0值必須用(UDmax/UDtyp)進(jìn)行縮放。這些精確值可以從數(shù)據(jù)表中讀取，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，也可以使用典型的安全裕度值(10%-20%)。

如果平均二極管電流為IFav，均方根二極管電流為IFrms，則開關(guān)周期內(nèi)的平均二極管導(dǎo)通損耗(Tsw=1/fsw)為：

圖2 二極管電阻與二極管電流的關(guān)系

3. RDSon - 考慮溫度變化

圖1所示的RDSon指的是典型值，RDSon max (25°C) 為25°C時(shí)RDSon的最大值一般是在25°C溫度下獲得的，但RDSon取值需要考慮溫度變化。

圖3?從數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取RDSon max?(25°C)

圖4 從數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取TJ/RDSon

開關(guān)損耗Psw

用于檢查MOSFET開關(guān)損耗的電路如圖5所示。它是一個(gè)單象限斬波器，為感性負(fù)載供電。MOSFET由驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)，在其輸出端提供電壓UDr。MOSFET內(nèi)部二極管用作續(xù)流二極管。在大多數(shù)應(yīng)用中，整個(gè)拓?fù)溆梢粋€(gè)或多個(gè)基于MOSFET的半橋組成。如三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)、同步DC/DC轉(zhuǎn)換器等。如果使用外部續(xù)流二極管，可以取自二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)，計(jì)算仍然有效。

圖5 帶感性負(fù)載的MOSFET斬波器

對(duì)于功率損耗的計(jì)算，MOSFET開關(guān)過程的線性近似就足夠了，如后所述，這是最差情況的計(jì)算。功率MOSFET的理想開關(guān)過程如圖6所示。最上面的部分(A)表示柵極電壓(uGS)和電流(iG)；下一個(gè)(B)顯示漏源電壓(uDS)和漏電流(iD)，未考慮續(xù)流二極管的反向恢復(fù)。C部分給出了功率損耗的定性概述，而D部分顯示了反向恢復(fù)對(duì)開關(guān)損耗的影響。

1. 開通瞬態(tài)

驅(qū)動(dòng)器電路將其狀態(tài)從0V變?yōu)閁Dr，柵極電壓上升至閾值電壓(UGS(th))，時(shí)間常數(shù)由柵極電阻和等效MOSFET輸入電容定義(Ciss=CGD+CGS)。在柵極電壓達(dá)到UGS(th)之前，輸出不會(huì)改變。

達(dá)到UGS(th)后，漏極電流上升并接管負(fù)載電流。零與IDon(由應(yīng)用定義)之間的電流上升時(shí)間(tri)的最差情況值可以從MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取，如圖7所示。在電流上升期間，續(xù)流二極管仍然導(dǎo)通，漏源電壓為UDD。

為了使二極管關(guān)斷，必須移除在其中的所有少數(shù)載流子（見圖6）。這種反向恢復(fù)電流必須被MOSFET吸收，導(dǎo)致額外的功率損耗。功率損耗計(jì)算中使用的反向恢復(fù)電荷(Qrr)和持續(xù)時(shí)間(trr)的最差情況值可以從MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀?。ㄒ妶D8）。

圖6 功率MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)

圖7 從數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取電流上升時(shí)間(紅色)和下降時(shí)間(藍(lán)色)

圖8 從數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取反向恢復(fù)時(shí)間(紅色)和電荷(藍(lán)色)

二極管關(guān)斷后，漏源電壓從uDS=UDD下降到其導(dǎo)通狀態(tài)值uDS=RDSon*Ion。發(fā)生米勒效應(yīng)，柵極-源極電壓被箝位在uGS=U(平臺(tái))(見圖9)。漏極-源極電壓的斜率由流經(jīng)柵極-漏極電容的柵極電流決定(CGD=Crss)。為了以合理的精度計(jì)算電壓下降時(shí)間(tfu)，必須考慮柵極-漏極電容的非線性。圖10示出了柵極-漏極電容對(duì)漏極-源極電壓的典型依賴關(guān)系。這種非線性不容易結(jié)合到計(jì)算中。這就是使用兩點(diǎn)近似的原因。假設(shè)如果漏極-源極電壓在uDS [UDD/2，UDD范圍內(nèi)，則柵極-漏極電容的值為CGD1= CGD(UDD)。另一方面，如果漏極-源極電壓在uDS [0V, UDD/2范圍內(nèi)，則柵極-漏極電容值為CGD2= CGD(RDSon*Ion)。確定這些電容的方法如圖10所示。在圖6B中用虛線示出了下降時(shí)間期間的漏極-源極電壓，考慮兩點(diǎn)近似。這種近似僅用于確定電壓下降時(shí)間(以及關(guān)斷期間的上升時(shí)間)，并且假設(shè)漏極-源極電壓具有線性形式(圖6B中的實(shí)線)，因此很明顯這種分析呈現(xiàn)了開關(guān)損耗計(jì)算的最壞情況。

tfu期間的柵極電流可計(jì)算如下:

可以將電壓下降時(shí)間計(jì)算為通過柵極電流和電容CGD1和CGD2定義的下降時(shí)間的中值。

其中：

圖9 從數(shù)據(jù)手冊(cè)中讀取平臺(tái)電壓

?

?

圖10 柵漏電容的兩點(diǎn)表示

2. 關(guān)斷瞬態(tài)

關(guān)斷過程對(duì)應(yīng)于相反順序的MOSFET的接通過程，將不詳細(xì)討論。

兩個(gè)重要的區(qū)別是：

無反向恢復(fù)

柵極電流和電壓上升時(shí)間可以表示為：? ? ? ? ? ? ? ? ??

3. 開關(guān)能量和損耗

根據(jù)前面的考慮，功率MOSFET中最差情況下的導(dǎo)通能量損耗(EonM)可以計(jì)算為的導(dǎo)通能量(EonMi)和續(xù)流二極管反向恢復(fù)引起的導(dǎo)通能量(EonMrr)之和：

反向恢復(fù)電流的峰值可計(jì)算如下：

二極管中的導(dǎo)通能量主要由反向恢復(fù)能量(EonD)組成：

其中，UDrr是反向恢復(fù)期間二極管兩端的電壓。對(duì)于最差情況的計(jì)算，該電壓可以近似為電源電壓(UDrr= UDD)。

MOSFET的關(guān)斷能量損耗可以用類似方式計(jì)算。二極管的關(guān)斷損耗通常被忽略(EoffD=0)，因此：

MOSFET和二極管的開關(guān)損耗是開關(guān)能量和開關(guān)頻率(fsw)的乘積：

4. 損失平衡

MOSFET和續(xù)流二極管的功率損耗可以表示為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之和，即：

編輯：黃飛

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