直流穩(wěn)壓電源MOS的損耗與選型方案
2017-7-28 10:14:56??????點(diǎn)擊：
建議初選之基本步驟：
1 直流穩(wěn)壓電源電壓應(yīng)力
在直流穩(wěn)壓電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的直流穩(wěn)壓電源電壓不大于直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿直流穩(wěn)壓電源電壓的 90% 。即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。
2 漏極直流穩(wěn)壓電源電流
其次考慮漏極直流穩(wěn)壓電源電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極直流穩(wěn)壓電源電流不大于規(guī)格書中標(biāo)稱最大漏源直流穩(wěn)壓電源電流的 90% ；漏極脈沖直流穩(wěn)壓電源電流峰值不大于規(guī)格書中標(biāo)稱漏極脈沖直流穩(wěn)壓電源電流峰值的 90% 即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負(fù)溫度系數(shù)，故應(yīng)取直流穩(wěn)壓電源元器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。直流穩(wěn)壓電源元器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，直流穩(wěn)壓電源元器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書目中之 ID 會比實(shí)際最大工作直流穩(wěn)壓電源電流大數(shù)倍，這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
3 驅(qū)動要求
MOSFEF 的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計。驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源直流穩(wěn)壓電源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的直流穩(wěn)壓電源電壓值（一般使用直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)格書中的建議值）
4 損耗及散熱
小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。
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(xì)計算公式應(yīng)根據(jù)具體直流穩(wěn)壓電源電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復(fù)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
直流穩(wěn)壓電源元器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以直流穩(wěn)壓電源元器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道直流穩(wěn)壓電源元器件工作環(huán)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 是直流穩(wěn)壓電源元器件結(jié)點(diǎn)到其工作環(huán)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(jìn)去。
MOS管損耗的8個組成部分
在直流穩(wěn)壓電源元器件設(shè)計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進(jìn)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，利用直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作直流穩(wěn)壓電源電路的計算值和預(yù)計波形，套用公式進(jìn)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(dǎo)通損耗Pon
導(dǎo)通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負(fù)載直流穩(wěn)壓電源電流（即漏源直流穩(wěn)壓電源電流） IDS(on)(t) 在導(dǎo)通電阻 RDS(on) 上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。
導(dǎo)通損耗計算
先通過計算得到 IDS(on)(t) 函數(shù)表達(dá)式并算出其有效值 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(dǎo)通時間 Ton ，而不是整個工作周期 Ts ； RDS(on) 會隨 IDS(on)(t) 值和直流穩(wěn)壓電源元器件結(jié)點(diǎn)溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計工作條件下的 RDS(on) 值（即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù) K ）。
2 截止損耗Poff
截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS(off) 應(yīng)力下產(chǎn)生的漏直流穩(wěn)壓電源電流 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直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS(off) ，在查找直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)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(guī)格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 條件下的參數(shù)。如計算得到的漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 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 開啟過程損壞
開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS(off_on)(t) 與逐漸上升的負(fù)載直流穩(wěn)壓電源電流（即漏源直流穩(wěn)壓電源電流） 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(yù)計得到開啟時刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成后的 IDS(on_beginning) 即圖示之 Ip1 ，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx 。然后再通過如下公式計算：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt
實(shí)際計算中主要有兩種假設(shè) — 圖 (A) 那種假設(shè)認(rèn)為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時發(fā)生；圖 (B) 那種假設(shè)認(rèn)為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實(shí)際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設(shè)。針對這兩種假設(shè)延伸出兩種計算公式：
(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs
(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs
(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。
說明：
圖 (C) 的實(shí)際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （直流穩(wěn)壓電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁直流穩(wěn)壓電源電流的 初始值）。疊加的直流穩(wěn)壓電源電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計得到，其 跟直流穩(wěn)壓電源電路架構(gòu)和直流穩(wěn)壓電源元器件參數(shù)有關(guān)。例如 FLYBACK 中 實(shí)際直流穩(wěn)壓電源電流應(yīng) 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢復(fù)直流穩(wěn)壓電源電流感應(yīng)回初極的直流穩(wěn)壓電源電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關(guān)開通瞬間釋放的 直流穩(wěn)壓電源電流 ) 。這個難以預(yù)計的數(shù)值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。
4 關(guān)斷過程損耗
關(guān)斷過程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過程中 逐漸上升的漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS(on_off) (t) 與逐漸 下降的漏源直流穩(wěn)壓電源電流 IDS(on_off)(t) 的交叉重 疊部分造成的損耗。
關(guān)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(yù)計得到關(guān)斷完成后之漏源直流穩(wěn)壓電源電壓 VDS(off_beginning) 、關(guān)斷時刻前的負(fù)載直流穩(wěn)壓電源電流 IDS(on_end) 即圖示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 與 IDS(on_off)(t) 重疊時間 Tx 。然后再通過 如下公式計算：
Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt
實(shí)際計算中，針對這兩種假設(shè)延伸出兩個計算公式：
(A) 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs
(B) 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs
(B) 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。
說明：
IDS(on_end) =Ip2 ，直流穩(wěn)壓電源使用中這一參數(shù)往往是激磁直流穩(wěn)壓電源電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關(guān)斷完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一個很大的直流穩(wěn)壓電源電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗(yàn)估算。
5 驅(qū)動損壞Pgs
驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行驅(qū)動造成之損耗
驅(qū)動損耗的計算
確定驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源電壓 Vgs 后，可通過如下公式進(jìn)行計算：
Pgs= Vgs × Qg × fs
說明
Qg 為總驅(qū)動電量，可通過直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)格書查找得到。
6 Coss電容的泄放損耗Pds
Coss電容的泄放損壞,指MOS直流穩(wěn)壓電源輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導(dǎo)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(yù)計得到開啟時刻前之 VDS ，再通過如下公式進(jìn)行計算：
Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs
說明
Coss 為 MOSFET 直流穩(wěn)壓電源輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過直流穩(wěn)壓電源元器件規(guī)格書查找得到。
7 直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f
直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管在承載正向直流穩(wěn)壓電源電流時因正向壓降造成的損耗。
直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計算
在一些利用直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管進(jìn)行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對此部分之損耗進(jìn)行計算。公式如下：
Pd_f = IF × VDF × tx × fs
其中： IF 為二極管承載的直流穩(wěn)壓電源電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載直流穩(wěn)壓電源電流的時間。
說明
會因直流穩(wěn)壓電源元器件結(jié)溫及承載的直流穩(wěn)壓電源電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之?dāng)?shù)值。
8 直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover
直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管在承載正向直流穩(wěn)壓電源電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。
直流穩(wěn)壓電源體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)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復(fù)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 為二極管反向恢復(fù)電量，由直流穩(wěn)壓電源元器件提供之規(guī)格書中查找而得。
- 上一篇：非隔離式直流穩(wěn)壓電源的共模電流問題探討 2017/7/28
- 下一篇： 荷貝克AGM充電機(jī)充電蓄電池產(chǎn)品專家技術(shù)論證會在武漢召開 2017/7/28
