KA_IX

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MOS管的工作损耗逐个分解分析

2021-7-14 10:02:51 显示全部楼层
我们在设计选择过程中需要对 MOSFET 的工作过程损耗进行先期计算,简单来说就是 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。
我们可以根据MOS管的工作状态将MOS管的工作损耗具体分为以下八个部分:
1.导通损耗,这个损耗是指在 MOSFET完全开启后负载电流,即漏源电流 I DS(on) (t) 在导通电阻 R DS(on)上产生之压降造成的损耗。
我们可以先通过计算得到 I DS(on) (t) 函数表达式并算出其有效值I DS(on) rms ,再通过如下电阻损耗计算式计算:Pon=I DS(on) rms 2 × R DS(on) × K × Don说明:计算 I DS(on) rms 时使用的时期仅是导通时间 Ton ,而不是整个工作周期 Ts ;R DS(on) 会随 I DS(on) (t) 值和器件结点温度不同而有所不同,此时的原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的 R DS(on) 值(即乘以规格书提供的一个温度系数 K )。
2.截止损耗,这个损耗是指在 MOSFET完全截止后在漏源电压 V DS(off)应力下产生的漏电流 I DSS 造成的损耗。
我们可以先通过计算得到 MOSFET 截止时所承受的漏源电压V DS(off) ,在查找器件规格书提供之 I DSS ,再通过如下公式计算:Poff=V DS(off) × I DSS ×( 1-Don );I DSS 会 V DS(off) 变化而变化,如计算得到的漏源电压 V DS(off) 很大以至接近 V (BR)DSS 则可直接引用此值,如很小,则可取零值,即忽略此项。
3.开启过程中损耗,这个损耗是指在MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压V DS(off_on) (t) 与逐渐上升的负载电流(即漏源电流)I DS(off_on) (t) 交叉重叠部分造成的损耗。
这个开启过程如下图所示:
7d4bd893625347a8b115027e311d1cd6?from=pc.jpg
从上图,我们可以看到,开启过程 V DS(off_on) (t) 与 I DS(off_on) (t) 交叉波形如上图所示。首先须计算或预计得到开启时刻前之 V DS(off_end) 、开启完成后的 I DS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ,以及 V DS(off_on) (t) 与I DS(off_on) (t) 重叠时间 Tx 。
然后再通过如下公式计算:Poff_on= f s ×∫ Tx V DS(off_on) (t) × I D(off_on)S (t) × dt实际计算中主要有两种假设图 (A) 那种假设认为V DS(off_on) (t) 的开始下降与 I DS(off_on) (t) 地逐渐上升同时发生;图 (B) 那种假设认为 V DS(off_on) (t) 的下降是从 I DS(off_on) (t)上升到最大值后才开始。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一MOSFET 实际测试到的波形,其更接近于 (A) 类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式:
(A) 类假设 Poff_on=1/6 × V DS(off_end) × Ip1 × tr × f s
(B) 类假设 Poff_on=1/2 × V DS(off_end) × Ip1 × (t d(on) +t r ) × f s
(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。
图 (C) 的实际测试到波形可以看到开启完成后的I DS(on_beginning) >>Ip1 (电源使用中 Ip1 参数往往是激磁电流的初始值)。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到,其跟电路架构和器件参数有关。例如 FLYBACK 中 实际电流应是 Itotal=Idp1+Ia+Ib(Ia 为次级端整流二极管的反向恢复电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比, Ib 为变压器初级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关开通瞬间释放的电流 ) 。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的主要原因之一。
4关断过程损耗,这个是指在MOSFET 关断过程中逐渐上升的漏源电压
V DS(on_off) (t) 与逐渐下降的漏源电流 I DS(on_off) (t)的交叉重叠部分造成的损耗。
同样我们通过一张MOS关断过程波形图来了解:
0e6db4dc1e3c49eaa781261a395111ab?from=pc.jpg
如上图所示,此部分损耗计算原理及方法跟 Poff_on 类似。首先须计算或预计得到关断完成后之漏源电压V DS(off_beginning) 、关断时刻前的负载电流 I DS(on_end) 即图示之Ip2 以及 V DS(on_off) (t) 与 I DS(on_off) (t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算:
Poff_on= f s ×∫ Tx V DS(on_off) (t) × I DS(on_off) (t) × dt
实际计算中,针对这两种假设延伸出两个计算公式:
(A) 类假设 Poff_on=1/6 × V DS(off_beginning) × Ip2 × t f × f s
(B) 类假设 Poff_on=1/2 × V DS(off_beginning) × Ip2 ×(t d(off) +t f ) × f s
(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。
I DS(on_end) =Ip2 ,电源使用中这一参数往往是激磁电流的末端值。因漏感等因素, MOSFET 在关断完成后之 V DS(off_beginning) 往往都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其上,此值可大致按经验估算。
5.栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗,我们在确定驱动电源电压 Vgs 后,可通过如下公式进行计算:Pgs= Vgs × Qg × fs得到驱动损耗;其中 Qg 为总驱动电量。
6.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,首先须计算或预计得到开启时刻前之 V DS ,再通过Pds=1/2 × V DS(off_end) 2 × Coss × f s公式计算;其中Coss 为 MOSFET 输出电容,一般可等于 Cds 。
7.体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗,在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中,需要对此部分之损耗进行计算。公式如下:Pd_f = I F × V DF × t x × f s;其中:I F 为二极管承载的电流量, V DF 为二极管正向导通压降, t x 为一周期内二极管承载电流的时间。
8.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,这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下:
Pd_recover=V DR × Qrr × f s;其中:V DR 为二极管反向压降, Qrr 为二极管反向恢复电量。

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