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开关电源MOS管的8大损耗计算与选型原则解析-減少MOS管損耗的方法-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-15 

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开关电源 MOS管损耗

MOS管開關電源損耗

开关模式电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。


开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗指功率管从截止到导通时,所产生的功率损耗。截止损耗指功率管从导通到截止时,所产生的功率损耗。开关损耗(Switching-Loss)包括开通损耗(Turn-on Loss)和关断损耗(Turn-of Loss),常常在硬开关(Hard-Switching)和软开关(Soft-Switching)中讨论。所谓开通损耗(Turn-on Loss),是指非理想的开关管在开通时,开关管的电压不是立即下降到零,而是有一个下降时间,同时它的电流也不是立即上升到负载电流,也有一个上升时间。在这段时间内,开关管的电流和电压有一个交叠区,会产生损耗,这个损耗即为开通损耗。以此类比,可以得出关断损耗产生的原因,这里不再赘述。开关损耗另一个意思是指在开关电源中,对大的MOS管进行开关操作时,需要对寄生电容充放电,这样也会引起损耗。

开关电源,MOS管损耗


MOS設計選型的幾個基本原則

1 电压应力

在电源电路应用中,往往首先考虑漏源电压 VDS 的选择。在此上的基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即:

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注:一般地, V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之 V(BR)DSS值作为参考。


2 漏极电流

其次考虑漏极电流的选择。基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ;漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即:

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP


注:一般地, ID_max 及 ID_pulse 具有负温度系数,故应取器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境,散热技术,器件其它参数(如导通电阻,热阻等)等相互制约影响所致。最终的判定依据是结点温度(即如下第六条之“耗散功率约束”)。根据经验,在实际应用中规格书目中之 ID 会比实际最大工作电流大数倍,这是因为散耗功率及温升之限制约束。在初选计算时期还须根据下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。建议初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。


3 驱动要求

MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量( Qg )参数决定。在满足其它参数要求的情况下,尽量选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在保证远离最大栅源电压( VGSS )前提下使 Ron 尽量小的电压值(一般使用器件规格书中的建议值)


4 损耗及散热

小的 Ron 值有利于减小导通期间损耗,小的 Rth 值可减小温度差(同样耗散功率条件下),故有利于散热。


5 损耗功率初算

MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分:


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 耗散功率约束

器件稳态损耗功率 PD,max 应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。如能够预先知道器件工作环境温度,则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 是器件结点到其工作环境之间的总热阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。


MOS管損耗的8個組成部分

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)。


1 导通损耗Pon

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。


導通損耗計算:

先通过计算得到 IDS(on)(t) 函数表达式并算出其有效值 IDS(on)rms ,再通过如下电阻损耗计算式计算:

Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don


說明:

计算 IDS(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 ; RDS(on)会随 IDS(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 RDS(on) 值(即乘以规格书提供的一个温度系数 K )。


2 截止损耗Poff

截止损耗,指在 MOSFET 完全截止后在漏源电压 VDS(off) 应力下产生的漏电流 IDSS 造成的损耗。


截止損耗計算:

先通过计算得到 MOSFET 截止时所承受的漏源电压 VDS(off) ,在查找器件规格书提供之 IDSS ,再通过如下公式计算:

Poff=VDS(off) × IDSS ×( 1-Don )


說明:

IDSS 会依 VDS(off) 变化而变化,而规格书提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 条件下的参数。如计算得到的漏源电压 VDS(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 开启过程损耗

开启过程损耗,指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐渐上升的负载电流(即漏源电流) IDS(off_on)(t) 交叉重叠部分造成的损耗。

开关电源,MOS管损耗


開啓過程損耗計算:

开启过程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(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 VDS(off_end) 、开启完成后的 IDS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ,以及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算:

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


实际计算中主要有两种假设 — 图 (A) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的开始下降与 ID(off_on)(t) 的逐渐上升同时发生;图 (B) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的下降是从 ID(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 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs


(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs


(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。


說明:

图 (C) 的实际测试到波形可以看到开启完成后的 IDS(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

关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中 逐渐上升的漏源电压 VDS(on_off) (t) 与逐渐 下降的漏源电流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 叠部分造成的损耗。

开关电源,MOS管损耗


關斷過程損耗計算:

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 VDS(off_beginning) 、关断时刻前的负载电流 IDS(on_end) 即图示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过 如下公式计算:

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) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs  


(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs


(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。


說明:

IDS(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 VDS(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 驱动损耗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

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


說明

Qg 为总驱动电量,可通过器件规格书查找得到。


6 Coss电容的泄放损耗Pds

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。


Coss電容的泄放損耗計算

首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS ,再通过如下公式进行计算:

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs


說明

Coss 为 MOSFET 输出电容,一般可等于 Cds ,此值可通过器件规格书查找得到。


7 体内寄生二极管正向导通损耗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 为二极管承载的电流量, VDF 为二极管正向导通压降, tx 为一周期内二极管承载电流的时间。


說明

會因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 体内寄生二极管反向恢复损耗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 为二极管反向压降, Qrr 为二极管反向恢复电量,由器件提供之规格书中查找而得。


減少MOS管損耗的方法

減小開關損耗一方面要盡可能地制造出具有理想開關特性的器件,另一方面利用新的線路技術改變器件開關時期的波形,如:晶體管緩沖電路,諧振電路,和軟開關技術等。


(1)晶體管緩沖電路(即加吸收網絡技術)

早期电源多采用此线路技术。采用此电路, 功率损耗虽有所减小,但仍不是很理想。①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感, 加反向恢复时间快的二极管,利用饱和电感阻碍电流变化的特性, 限制电流上升的速率,使电流与电压的波形尽可能小地重叠。②减少截止损耗加R 、C 吸收网络, 推迟变压器反激电压发生时间, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率损耗为0。该电路利用电容上电压不能突变的特性,推迟反激电压发生时间。为了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此电路有明显缺点:因为电阻的存在,导致吸收网络有损耗 。


(2)諧振電路

该电路只改变开关瞬间电流波形,不改变导通时电流波形。只要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和变压器漏感, 就能保证电压为0时,开关管导通或截止。因此, 采用谐振技术可使开关损耗很小。所以, SWITCHTEC 电源开关频率可以做到术结构380kHz的高频率。


(3)軟開關技術

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。


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