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【瑞森课堂】如何利用MOSFET规格书详细计算产生的损耗
發布日期:2019-02-26     閱讀:457

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在器件设计选择过程中需要对 MOSFET 的工作过程损耗进行先期计算(所谓先期计算是指在没能够测试各工作波形的情况下,利用器件规格书提供的参数及工作电路的计算值和预计波形,套用公式进行理论上的近似计算)。对于传统的硬开关而言,Mosfet的工作损耗可分:导通损耗Pv_cond、驱动损耗Pv_gate、体二极管反向恢复损耗Psw、输出电容Coss泄放损耗Phs_Coss、Mosfet开关损耗。

典型硬开关波形如下:


下面我们就详细讲解Mos损耗的具体计算。

    1. Mosfet的导通损耗Pv_cond            

导通损耗:指在 MOSFET 完全开启后负载电流(即漏源电流) IDS(on)(t) 在导通电阻 RDS(on) 上产生之压降造成的损耗,导通损耗计算如下:

其中说明:

Rdson):实际结温下的导通电阻,可以通过查阅datasheet中的相关曲线获得;

IrmsMosfet导通时的电流有效值,电流有效值计算如下:

根据电流的工作模式可以分为下面3种:



2.Mosfet的驱动损耗Pv_gate    

 驱动损耗:指栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗,驱动损耗计算如下;

其中说明:

Qg 为总驱动电量,可通过器件规格书查找得到。

Vg为驱动电源的驱动电压Vgs

fsw为电源开关频率


3.Mosfet的体内寄生二极管反向恢复损耗PSR_QRR

体内寄生二极管反向恢复损耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致   使的反向恢复造成的损耗。(同步整流需要考虑此项损耗)

 

Vds为二极管所承受的反向电压;

QRR指体二极管反向恢复电荷,此项器件规格书查找得到。


4.Mosfet的输出电容的泄放损耗Phs_Coss

Coss电容的泄放损耗,指MOS输出电容 Coss 截止期间储蓄的电场能于导同期间在漏源极上的泄放损耗。


Qoss指MOS的输出电容存储的电荷量(Qoss=Vin*Coss;Coss随着Vin变化而变化,所以需要找出对应曲线的Coss,如下图);Vin指MOS开通时承受的输入电压;

   5.Mosfet的开关损耗        

Mosfet的开关损耗,指由于Mosfet从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间,在开关过程中,电压和电流的交叠部分产生的损耗;具体如下图


那么如何根据产品规格书计算MOS的开关损耗呢?




其中Vds_open为开通时漏源极电压,Vds_close为开通时漏源极电压,

Ids_open为 MOS开通时漏源极电流 ,Ids_open 为 MOS关段时漏源极电流

Rdson为漏源极开通时导通电阻,Crss为Mosfet的米勒电容。

     e.计算Mosfet的开通和关段损耗



6.如何降低Mosfet的损耗的    

直接影响MOSFET 导通电阻的因素有几点,通常增加芯片尺寸和漏源极击穿电压(VBR(DSS)),由于增加了器件中的半导体材料,有助于降低导通电阻RDS(ON)。另一方面,较大的MOSFET 会增大开关损耗。因此,虽然大尺寸MOSFET 降低了RDS(ON),但也导致小器件可以避免的效率问题。当管芯温度升高时,MOSFET 导通电阻会相应增大。必须保持较低的结温,使导通电阻RDS(ON)不会过大。导通电阻RDS(ON)和栅源偏置电压成反比,因此,推荐使用足够大的栅极电压以降低RDS(ON)损耗,但此时也会增大栅极驱动损耗,需要平衡降低RDS(ON)的好处和增大栅极驱动的缺陷。MOSFET 的开关损耗与器件电容有关,较大的电容需要较长的充电时间,使开关切换变缓,消耗更多能量。米勒电容通常在MOSFET 数据资料中定义为反向传输电容(CRSS)或栅-漏电容(CGD),在开关过程中对切换时间起决定作用。米勒电容的充电电荷用QGD 表示,为了快速切换MOSFET,要求尽可能低的米勒电容。一般来说,MOSFET 的电容和芯片尺寸成反比,因此必须折衷考虑开关损耗和传导损耗,同时也要谨慎选择电路的开关频率。从以上的计算可以看出,Crss和米勒平台时间t3成正比,可以看出米勒平台所占开通损耗比例为84%,因此米勒电容Crss 及所对应的Qgd在MOSFET的开关损耗中起主导作用。另外,减小驱动电阻可以同时降低t3和t2,从而降低开关损耗,但是过高的开关速度会引起EMI的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压,也就是降低阈值开启电压,提高跨导,也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使MOSFET容易受到干扰误导通,增大跨导将增加工艺复杂程度和成本,所以不同的应用选择不同参数的Mosfet,只有选择合理参数的Mosfet才能达到最高的性价比。


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