理解功率MOSFET的開關(guān)損耗MOSEFT分析

1、理解功率mosfet的開關(guān)損耗moseft分析:s時(shí)間:2009-12-14 5938次閱讀【網(wǎng)友評(píng)論3條我要評(píng)論】收藏木文詳細(xì)分析計(jì)算開關(guān)損耗，并論述實(shí)際狀態(tài)下功率mosfet的開通過程和自然 零屯壓關(guān)斷的過程，從而使電子工程師知道哪個(gè)參數(shù)起主導(dǎo)作用并更加深入理解 mosfetomosfet開關(guān)損耗1開通過程中mosfet開關(guān)損耗功率mosfet的柵極電荷特性如圖1所示。值得注意的是：下面的開通過程對(duì)應(yīng) 著buck變換器上管的開通狀態(tài)，對(duì)于下管是0電壓開通，因此開關(guān)損耗很小， 可以忽略不計(jì)。圖1 mosfet開關(guān)過程屮柵極電荷特性開通過程中，從to時(shí)刻起，柵源極間電容開始充電，柵電壓開始上升

2、，柵極電 壓為,vgs為pwm柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，ron為pwm柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部串聯(lián)導(dǎo)通電阻，ciss為mosfet輸入電容，rg為mosfet的柵極 電阻。vgs電壓從0增加到開啟閾值電壓vth前，漏極沒有電流流過，時(shí)間tl為h =+ 心）cglnvgs電壓從vth增加到米勒平臺(tái)電壓vgp的時(shí)間t2為1vgs處于米勒平臺(tái)的時(shí)間t3為c d *十心)t3也可以用下面公式計(jì)算:4 _ r +心3g 6!注意到了米勒平臺(tái)后，漏極電流達(dá)到系統(tǒng)最大電流id,就保持在電路決定的恒 定最人值td,漏極電壓開始下降，mosfet固冇的轉(zhuǎn)移特性使柵極電壓和漏極電 流保持比例的關(guān)系，漏極電流恒定，因此柵極電壓也

3、保持恒定，這樣?xùn)艠O電壓不 變，柵源極間的電容不再流過電流，驅(qū)動(dòng)的電流全部流過米勒電容。過了米勒平 臺(tái)后，mosfet完全導(dǎo)通，柵極電壓和漏極電流不再受轉(zhuǎn)移特性的約束，就繼續(xù) 地增大，一直到等于驅(qū)動(dòng)電路的電源的電壓。mosfet開通損耗主要發(fā)生在t2和t3時(shí)間段。下面以一個(gè)具體的實(shí)例計(jì)算。輸 入電壓12v,輸出電壓3. 3v/6a,開關(guān)頻率350kiiz, pwm柵極驅(qū)動(dòng)器電壓為5v, 導(dǎo)通電阻1.5q,關(guān)斷的下拉電阻為0.5q,所用的mosfet為a04468,具體參 數(shù)為 ciss=955pf, coss=145pf, crss=112pf, rg=o. 5 q ；當(dāng) vgs=4. 5v,

4、qg=9nc； 當(dāng) vgs二 10v, qg=17nc, qgd=4. 7nc, qgs=3. 4nc；當(dāng) vgs=5v 且 id二 11. 6a,跨導(dǎo) gfs二 19s；當(dāng) vds二vgs 且 id二250 u a, vth=2v；當(dāng) vgs=4. 5v 且 id二 10a, rds (on) =17. 4m q。開通時(shí)米勒平臺(tái)電壓vgp：計(jì)算可以得到電感4. 7 n h.,滿載時(shí)電感的峰峰電流為1.454a,電感的谷點(diǎn)電 流為5. 273a,峰值電流為6. 727a,所以，開通時(shí)米勒平臺(tái)電壓vgp二2+5. 273/19=2. 278v,可以計(jì)算得到:r, =2-955-10 12 -in

5、 - = 0.976恥f, =2-955-10 11-in=1 163-0.976 = 0.z，/»o1 50-98w511210亠(12-5,2730.0174)25-2.278 中亦開通過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗為p1 las(on)二 c"¥(/2 += 0.013ir開通過程中，crss和米勒平臺(tái)時(shí)間t3成正比，計(jì)算可以得出米勒平臺(tái)所占開通 損耗比例為84%,因此米勒電容crss及所對(duì)應(yīng)的qgd在m0sfet的開關(guān)損耗屮起 主導(dǎo)作用。ciss二crss+cgs, ciss所對(duì)應(yīng)電荷為qg。對(duì)于兩個(gè)不同的m0sfet, 兩個(gè)不同的開關(guān)管，即使a管的qg和ciss小于

6、b管的，但如果a管的crss比 b管的大得多時(shí)，a管的開關(guān)損耗就冇可能大于b管。因此在實(shí)際選取m0sfet 時(shí)，需要優(yōu)先考慮米勒電容crss的值。減小驅(qū)動(dòng)電阻可以同吋降低t3和t2,從而降低開關(guān)損耗，但是過高的開關(guān)速度 會(huì)引起emt的問題。提高柵驅(qū)動(dòng)電壓也可以降低t3時(shí)間。降低米勒電壓，也就 是降低閾值開啟電壓，提高跨導(dǎo)，也可以降低t3時(shí)間從而降低開關(guān)損耗。但過 低的閾值開啟會(huì)使m0sfet容易受到干擾誤導(dǎo)通，增大跨導(dǎo)將增加工藝復(fù)雜程度 和成木。2關(guān)斷過程中m0sfet開關(guān)損耗關(guān)斷的過程如圖1所示，分析和上面的過程相同，需注意的就是此時(shí)要用pwm 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的卜拉電阻0.5q和rg吊聯(lián)計(jì)算，同

7、時(shí)電流要用最大電流即峰值電 流6. 727a來計(jì)算關(guān)斷的米勒平臺(tái)電壓及相關(guān)的時(shí)間值：vgp二2+6. 727/19=2. 354v。il2 l0-u .(l2-6.727 0.0|74) (0.5-i-0.5) “ 0.5、5-2.354厶心)長(zhǎng)=70.5+0.5)-955 iohl in = 0 156佃2.3 3*1關(guān)斷過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗為:p （o»）= fs v 寸 （c + -o.oufcrss 定時(shí)，ciss越大，除了對(duì)開關(guān)損耗有一定的影響，還會(huì)影響開通和關(guān)斷 的延時(shí)時(shí)間，開通延時(shí)為圖1中的tl和t2,圖2中的t8和t9。b$：5v/dhk：l.vdiv圖2斷續(xù)模式工作波

8、形coss產(chǎn)生開關(guān)損耗與對(duì)開關(guān)過程的影響1 coss產(chǎn)生的開關(guān)損耗通常，在mosfet關(guān)斷的過程屮，coss充電，能量將儲(chǔ)存在其中。coss同時(shí)也影 響mosfet關(guān)斷過程中的電壓的上升率dvds/dt, coss越大，dvds/dt就越小， 這樣引起的emi就越小。反之，coss越小，dvds/dt就越大，就越容易產(chǎn)生emi 的問題。但是，在碩開關(guān)的過程中，coss又不能太大，i大i為coss儲(chǔ)存的能量將在mosfet 開通的過程屮，放電釋放能量，將產(chǎn)生更多的功耗降低系統(tǒng)的整體效率，同時(shí)在 開通過程中，產(chǎn)生大的電流尖峰。開通過程屮大的電流尖峰產(chǎn)生大的電流應(yīng)力，瞬態(tài)過程屮有可能損壞mosfet

9、, 同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電流干擾，帶來emi的問題；另外，大的開通電流尖峰也會(huì)給峰值 電流模式的pwm控制器帶來電流檢測(cè)的問題，需要更大的前沿消隱時(shí)間，防止電 流誤檢測(cè)，從而降低了系統(tǒng)能夠工作的最小占空比值。coss產(chǎn)生的損耗為：心嚴(yán)*c如二/>0.00盯對(duì)于buck變換器，工作在連續(xù)模式時(shí)，開通時(shí)mosfet的電壓為輸入電源電壓。 當(dāng)工作在斷續(xù)模式時(shí)，由于輸出電感以輸出電壓為中心振蕩，coss電壓值為開 通瞬態(tài)時(shí)mosfet的兩端電壓值，如圖2所示。2 coss對(duì)開關(guān)過程的影響圖1中vds的電壓波形是基于理想狀態(tài)下，用工程簡(jiǎn)化方式來分析的。由于coss 存在，實(shí)際的開關(guān)過程中的電壓和電流波形與

10、圖1波形會(huì)有一些井界，如圖3 所示。下面以關(guān)斷過程為例說明。基于理想狀態(tài)下，以工程簡(jiǎn)化方式，認(rèn)為vds 在t7時(shí)間段內(nèi)線性地從最小值上升到輸入電壓，電流在t8時(shí)間段內(nèi)線性地從最 大值下降到0。*/otog、qis圖3 m0sfet開關(guān)過程中實(shí)際波形實(shí)際過程中，由于coss影響，大部分電流從m0sfet中流過，流過coss的非常 小，甚至可以忽略不計(jì)，因此coss的充電速度非常慢，電流vds上升的速率也 非常慢。也可以這樣理解：正是因?yàn)閏oss的存在，在關(guān)斷的過程中，由于電容 電壓不能突變，因此vds的電壓一直維持在較低的電壓，可以認(rèn)為是zvs,即0 屯壓關(guān)斷，功率損耗很小。同樣的，在開通的過程

11、中，由于coss的存在，電容電壓不能突變，因此vds的 電壓一直維持在較高的電壓，實(shí)際的功率損耗很大。在理想狀態(tài)的工程簡(jiǎn)化方式下，開通損耗和關(guān)斷損耗基本和同，見圖1中的陰影 部分。而實(shí)際的狀態(tài)下，關(guān)斷損耗很小而開通損耗很大，見圖3中的陰影部分。從上面的分析可以看出：在實(shí)際的狀態(tài)下，coss將絕大部分的關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移到 開通損耗中，但是總的開關(guān)功率損耗基本相同。圖4波形可以看到，關(guān)斷時(shí)，vds 的電壓在米勒平臺(tái)起始時(shí)，電壓上升速度非常慢，在米勒平臺(tái)快結(jié)束時(shí)開始快速 上升。iw:100v/dhj-'ji1 二二ak:id:0.5.a/imvlj圖4卄連續(xù)模式開關(guān)過程小波形coss越大或在ds

12、極額外的并聯(lián)更大的電容，關(guān)斷時(shí)m0sfet越接近理想的zvs, 關(guān)斷功率損耗越小，那么更多能量通過coss轉(zhuǎn)移到開通損耗屮。為了使m0sfet 整個(gè)開關(guān)周期都工作于zvs,必須利用外部的條件和電路特性，實(shí)現(xiàn)其在開通過 程的zvs。如同步buck電路下側(cè)續(xù)流管，曲于其寄生的二極管或并聯(lián)的肖特基 二極管先導(dǎo)通，然后續(xù)流的同步m0sfet才導(dǎo)通，因此同步m0sfet是0電壓導(dǎo)通 zvs,而其關(guān)斷是自然的0電壓關(guān)斷zvs,因此同步m0sfet在整個(gè)開關(guān)周期是0 電壓的開關(guān)zvs,開關(guān)損耗非常小，兒乎可以忽略不計(jì)，所以同步m0sfet只有 rds (on)所產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗，選取吋只需要考慮rds (on)而不需要考慮crss的 值。注意到圖1是基于連續(xù)電流模式下所得到的波形，對(duì)于非連續(xù)模式，由于開通前 的電流