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大功率直流穩壓電源MOS的8大損耗和設計選型你都了解嗎?

MOS管損耗的8個組成部分

大功率直流穩壓電源器件設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,利用大功率直流穩壓電源器件規格書提供的參數及工作電路的計算值和預計波形,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、導通損耗Pon

導通損耗,指在 MOSFET 完全開啟後負載電流(即漏源電流) IDS(on)(t) 在導通電阻 RDS(on) 上產生之壓降造成的損耗。

導通損耗計算

先通過計算得到 IDS(on)(t) 函數表達式並算出其有效值 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通時間 Ton ,而不是整個工作周期 Ts ;RDS(on)會隨 IDS(on)(t) 值和大功率直流穩壓電源器件結點溫度不同而有所不同,此時的原則是根據規格書查找盡量靠近預計工作條件下的 RDS(on) 值(即乘以規格書提供的一個溫度係數 K )。

2、截止損耗Poff

截止損耗,指在 MOSFET 完全截止後在漏源電壓 VDS(off) 應力下產生的漏電流 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) ,在查找大功率直流穩壓電源器件規格書提供之 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,而規格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 條件下的參數。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。首先須計算或預計得到開啟時刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成後的 IDS(on_beginning) 即圖示之 Ip1 ,以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx 。然後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 — 圖 (A) 那種假設認為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時發生;圖 (B) 那種假設認為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值後才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構路中一 MOSFET 實際測試到的波形,其更接近於 (A) 類假設。針對這兩種假設延伸出兩種計算公式:

(A) 類假設 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs
(B) 類假設 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs
(B) 類假設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後的 IDS(on_beginning)>>Ip1 (電源使用中 Ip1 參數往往是激磁電流的 初始值)。疊加的電流波峰確切數值Agingames難以預計得到,其 跟電路架構和大功率直流穩壓電源器件參數有關。例如 FLYBACK 中 實際電流應 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢 複電流感應回初極的電流值 -- 即乘以匝比, Ib 為變壓器 初級側繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關開通瞬間釋放的 電流 ) 。這個難以預計的數值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。

4、關斷過程損耗

關斷過程損耗。指在 MOSFET 關斷過程中 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。首先須計算或預計得到關斷完成後之漏源電壓 VDS(off_beginning) 、關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 。然後再通過 如下公式計算: 

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

實際計算中,針對這兩種假設延伸出兩個計算公式: 

(A) 類假設 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs  
(B) 類假設 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs
(B) 類假設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往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素, MOSFET 在關斷完成後之 VDS(off_beginning) 往往都有一個很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上,此值可大致按經驗估算。

5、驅動損耗Pgs

驅動損耗,指柵極接受驅動電源進行驅動造成之損耗

驅動損耗的計算

確定驅動電源電壓 Vgs 後,可通過如下公式進行計算:

Pgs= Vgs × Qg × fs

說明

Qg 為總驅動電量,可通過大功率直流穩壓電源器件規格書查找得到。

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於導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,一般可等於 Cds ,此值可通過大功率直流穩壓電源器件規格書查找得到。

7、體內寄生二極管正向導通損耗Pd_f

體內寄生二極管正向導通損耗,指MOS體內寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。

體內寄生二極管正向導通損耗計算

在一些利用體內寄生二極管進行載流的應用中(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 為二極管正向導通壓降, tx 為一周期內二極管承載電流的時間。

說明

會因大功率直流穩壓電源器件結溫及承載的電流大小不同而不同。可根據實際應用環境在其規格書上查找到盡量接近之數值。

8、體內寄生二極管反向恢複損耗Pd_recover

體內寄生二極管反向恢複損耗,指MOS體內寄生二極管在承載正向電流後因反向壓致使的反向恢複造成的損耗。

體內寄生二極管反向恢複損耗計算

這一損耗原理及計算方法與普通二極管的反向恢複損耗一樣。公式如下:

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中:VDR 為二極管反向壓降, Qrr 為二極管反向恢複電量,由大功率直流穩壓電源器件提供之規格書中查找而得。

MOS設計選型的幾個基本原則

建議初選之基本步驟:

1、電壓應力

在電源電路應用中,往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環境中的最大峰值漏源極間的電壓不大於大功率直流穩壓電源器件規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 具有正溫度係數。故應取設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 實際工作環境中的最大周期漏極電流不大於規格書中標稱最大漏源電流的 90% ;漏極脈衝電流峰值不大於規格書中標稱漏極脈衝電流峰值的 90% 即:

ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP

注:一般地, ID_max 及 ID_pulse 具有負溫度係數,故應取大功率直流穩壓電源器件在最大結溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。大功率直流穩壓電源器件此參數的選擇是極為不確定的—主要是受工作環境,散熱技術,大功率直流穩壓電源器件其它參數(如導通電阻,熱阻等)等相互製約影響所致。最終的判定依據是結點溫度(即如下第六條之“耗散功率約束”)。根據經驗,在實際應用中規格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數倍,這是因為散耗功率及溫升之限製約束。在初選計算時期還須根據下麵第六條的散耗功率約束不斷調整此參數。建議初選於 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。

3、驅動要求

MOSFEF 的驅動要求由其柵極總充電電量( Qg )參數決定。在滿足其它參數要求的情況下,盡量選擇 Qg 小者以便驅動電路的設計。驅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(一般使用大功率直流穩壓電源器件規格書中的建議值)

4、損耗及散熱

小的 Ron 值有利於減小導通期間損耗,小的 Rth 值可減小溫度差(同樣耗散功率條件下),故有利於散熱。

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

詳細計算公式應根據具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合,還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉向截止時的反向恢複損耗。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

大功率直流穩壓電源器件穩態損耗功率 PD,max 應以大功率直流穩壓電源器件最大工作結溫度限製作為考量依據。如能夠預先知道大功率直流穩壓電源器件工作環境溫度,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 是大功率直流穩壓電源器件結點到其工作環境之間的總熱阻 , 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。

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