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MOSFET開關(guān)損耗的計(jì)算方法

CHANBAEK ? 來源:開關(guān)電源分析 ? 作者:東方竹悠 ? 2023-03-26 16:18 ? 次閱讀

MOS管在電源應(yīng)用中作為開關(guān)用時(shí)將會(huì)導(dǎo)致一些不可避免的損耗,這些損耗可以分為兩類:

一類為器件柵極驅(qū)動(dòng)損耗。前面我們說過:MOSFET的導(dǎo)通和截止過程包括電容CISS的充電和放電。當(dāng)電容上的電壓發(fā)生變化時(shí),一定量的電荷就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移;需要一定量的電荷使柵極電壓在0和VDRV之間變化,變化如下圖所示:

pYYBAGQf_0-AFexlAAA02e6HPwM105.png

這個(gè)圖表曲線給出了一個(gè)柵極電荷與柵極驅(qū)動(dòng)電壓成函數(shù)關(guān)系的在最惡劣條件下相對精確的估計(jì)。常用來生成這些曲線的參數(shù)是器件漏源截止電壓。VDS(off)影響Miller電荷(曲線中平坦曲線下面部分),也就是在整個(gè)開關(guān)周期中所需的總電荷。在上圖中一旦得到了柵極總電荷,那么柵極電荷損耗就可用下面公式計(jì)算:Pgate=VDRV *QG *fDRV;式中VDRV是柵極驅(qū)動(dòng)波形的幅度,fDRV是柵極驅(qū)動(dòng)的頻率。這個(gè)公式中的QG *fDRV項(xiàng),它給出了驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的平均偏置電流。驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極損耗在了柵極的驅(qū)動(dòng)電路上。在每個(gè)開關(guān)循環(huán)中,所需要的電荷必須流經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)阻抗、外部柵極電阻和內(nèi)部柵極網(wǎng)格阻抗。這樣的結(jié)果是,功率損耗并不取決于電荷流經(jīng)阻抗元件的快慢。我們可以將驅(qū)動(dòng)功率損耗可表示為:

poYBAGQf_1-AbU7JAAAm3ZcFVWc990.png

在上面的方程式中,柵極驅(qū)動(dòng)電路用有阻抗的輸出代替,但這個(gè)假設(shè)對于金屬半導(dǎo)體的柵極驅(qū)動(dòng)是無效的。當(dāng)雙極性晶體管在柵極電路驅(qū)動(dòng)中被用到時(shí),輸出阻抗變?yōu)榉蔷€性的,而且公式將得不到正確的結(jié)果。為保險(xiǎn)起見,假定柵極阻抗很小(<5)而且大部分損耗浪費(fèi)在驅(qū)動(dòng)電路中。假如Rgate足夠大,足以使IG低于驅(qū)動(dòng)雙極型的能力,那么絕大部分的柵極功率損耗浪費(fèi)在Rgate上。

除了柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗外,還有由于大電流和大電壓在較短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)造成的傳統(tǒng)意義上的開關(guān)損耗。為了保證開關(guān)損耗最小,這個(gè)持續(xù)的時(shí)間間隔必須盡量得小。觀察MOSFET的導(dǎo)通和截止過程,應(yīng)該減小開關(guān)過程中第2和第3個(gè)階段的時(shí)間(無論是導(dǎo)通過程還是截止過程)。這個(gè)間隔是MOSFET的線性工作區(qū)間,此刻柵極電壓介于VTH和VGS,Miller。漏極電壓在開關(guān)間轉(zhuǎn)換時(shí),將會(huì)引起器件電流變化而且到達(dá)Miller平坦區(qū)。

在高速門驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中領(lǐng)悟這點(diǎn)是十分重要的。它強(qiáng)調(diào)突出這樣的事實(shí):門驅(qū)動(dòng)最主要的特性就是它在Miller平坦區(qū)電壓附近的拉電流和灌電流能力。峰值電流能力,是在有輸出阻抗時(shí)最大電壓VDRV條件下測得的,和MOSFET的實(shí)際開關(guān)性能有很少聯(lián)系。真正決定器件開關(guān)時(shí)間的是在柵源電壓,也就是,在輸出為5V的情況下(MOSFET的邏輯電平是2.5V)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流的能力。

MOSFET的開關(guān)損耗的粗略估計(jì)可使用在開關(guān)期間第2和第3個(gè)階段關(guān)于門驅(qū)動(dòng)電流、漏極驅(qū)動(dòng)電流、漏極驅(qū)動(dòng)電壓的簡單線性近似。首先必須確定門驅(qū)動(dòng)電流,分別為第2和第三階段做準(zhǔn)備:

pYYBAGQf_2uAUtvSAAAd5kt2ClY466.png

假設(shè)IG2為器件的輸入電容充電電流,在電壓從VTH變到VGS,Miller;IG3是電容CRSS的放電電流,在漏極電壓從VDS(off)變到0時(shí),大致的開關(guān)時(shí)間為:

poYBAGQf_3eAfvBzAAAThGj5fiY074.png

在t2時(shí)間內(nèi),漏極電壓是VDS(off),電流從0傾斜變化到負(fù)載電流IL,而在t3時(shí)間內(nèi)漏極電壓從VDS(off)變到0。再次使用波形的線性近似,各自時(shí)間內(nèi)的功率損耗近似為:

pYYBAGQf_4OAZ9AgAAASBQMXsnQ651.png

式中的T是開關(guān)周期。總的開關(guān)損耗是兩部分的和,由此可得出下列表達(dá)式:

poYBAGQf_4-AAWrmAAAOSEcwj8I839.png

即使較好的理解了開關(guān)的過程,但是要精確的計(jì)算開關(guān)損耗幾乎是不可能的。原因是寄生感性分量將會(huì)顯著的影響電流和電壓波形,也會(huì)影響開關(guān)過程的開關(guān)時(shí)間。考慮到實(shí)際電路中不同的漏極和源極感應(yīng)的影響,將會(huì)導(dǎo)出一個(gè)二階微分方程來描述電路中的實(shí)際波形。由于那些變量,包括開啟電壓、MOSFET電容值、驅(qū)動(dòng)輸出部分等等,有很大的誤差,上述的線性近似對于MOSFET開關(guān)損耗的估算是可行的,是比較合理的。

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