8種開關(guān)電源MOS管的工作損耗計算

在器件設(shè)計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算（所謂先期計算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計算值和預(yù)計波形，套用公式進行理論上的近似計算）。

MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：

1、導(dǎo)通損耗Pon

導(dǎo)通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負載電流（即漏源電流） IDS(on)(t) 在導(dǎo)通電阻 RDS(on) 上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導(dǎo)通損耗計算：

先通過計算得到 IDS(on)(t) 函數(shù)表達式并算出其有效值 IDS(on)rms ，再通過如下電阻損耗計算式計算：

Pon=IDS（on）rms2 × RDS（on） × K × Don

說明：

計算 IDS(on)rms 時使用的時期僅是導(dǎo)通時間 Ton ，而不是整個工作周期 Ts ； RDS(on)會隨 IDS(on)(t) 值和器件結(jié)點溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計工作條件下的 RDS(on) 值（即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù) K ）。

2、截止損耗Poff

截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS(off) 應(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS 造成的損耗。

截止損耗計算：

先通過計算得到 MOSFET 截止時所承受的漏源電壓 VDS(off) ，在查找器件規(guī)格書提供之 IDSS ，再通過如下公式計算：

Poff=VDS（off） × IDSS ×（ 1-Don ）

說明：

IDSS 會依 VDS(off) 變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 條件下的參數(shù)。 如計算得到的漏源電壓 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項。

3、開啟過程損耗

開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS(off_on)(t) 與逐漸上升的負載電流（即漏源電流） IDS(off_on)(t) 交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計算：

開啟過程 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上圖所示。 首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成后的 IDS(on_beginning) 即圖示之 Ip1 ，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx 。 然后再通過如下公式計算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS（off_on）（t） × ID（off_on）（t） × dt

實際計算中主要有兩種假設(shè) — 圖 (A) 那種假設(shè)認為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時發(fā)生； 圖 (B) 那種假設(shè)認為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才開始。 圖 (C) 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設(shè)。 針對這兩種假設(shè)延伸出兩種計算公式：

(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs

（B） 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS（off_end） × Ip1 × （td（on）+tr） × fs

(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

圖 (C) 的實際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁電流的 初始值）。 疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。 例如 FLYBACK 中 實際電流應(yīng)是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢 復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關(guān)開通瞬間釋放的 電流 ) 。 這個難以預(yù)計的數(shù)值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。

4、關(guān)斷過程損耗

關(guān)斷過程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS(on_off) (t) 與逐漸 下降的漏源電流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 疊部分造成的損耗。

關(guān)斷過程損耗計算：

如上圖所示，此部分損耗計算原理及方法跟 Poff_on 類似。首先須計算或預(yù)計得到關(guān)斷完成后之漏源電壓 VDS(off_beginning) 、關(guān)斷時刻前的負載電流 IDS(on_end) 即圖示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 與 IDS(on_off)(t) 重疊時間 Tx 。

然后再通過 如下公式計算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt

實際計算中，針對這兩種假設(shè)延伸出兩個計算公式：

(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs

(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs

(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

IDS(on_end) =Ip2 ，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關(guān)斷完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一個很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗估算。

5、驅(qū)動損耗Pgs

驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進行驅(qū)動造成之損耗

驅(qū)動損耗的計算：

確定驅(qū)動電源電壓 Vgs 后，可通過如下公式進行計算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

說明：

Qg 為總驅(qū)動電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。

6、Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損耗,指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導(dǎo)同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計算：

首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS ，再通過如下公式進行計算：

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs

說明：

Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。

7、體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計算：

在一些利用體內(nèi)寄生二極管進行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對此部分之損耗進行計算。公式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中：IF 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時間。

說明：

會因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之?dāng)?shù)值。

8、體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計算：

這一損耗原理及計算方法與普通二極管的反向恢復(fù)損耗一樣。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中：VDR 為二極管反向壓降， Qrr 為二極管反向恢復(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。

MOS設(shè)計選型的幾個基本原則

建議初選之基本步驟：

1、電壓應(yīng)力

在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS值作為參考。

2、漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中規(guī)格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 35 倍左右 ID = (35)*ID_max。

3、驅(qū)動要求

MOSFEF 的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）

4、損耗及散熱

小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

5、損耗功率初算

MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細計算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復(fù)損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。

6、耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。

審核編輯：湯梓紅