电源设计工程师在选用 Power MOSFET 设计电源时,大多直接以 Power MOSFET 的最大耐压、最大导通电流能力及导通电阻等三项参数做出初步决定。但实际上,MOSFET/IGBT 的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节,开关损耗测试对于器件评估非常关键,但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上。电源工程师们都知道开关MOS在整个电源系统里面的损耗占比是不小的,开关mos的的损耗我们谈及最多的就是开通损耗和关断损耗,今天以反激CCM模式的开通损耗和关断损耗来把公式推导一番,希望能够给各位有所启发。
开关损耗的诱因
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。
最恶劣情况分析
下图为电流与电压在开关时交叠的过程,这个图中描述的是其实是最恶劣的情况,开通时等mos管电流上升到I1之后mos管电压才开始下降,关断时等mos管电压上升到Vds后mos管电流才开始下降。
MOS管开关过程
➤MOS管开过程:
阶段一:电压不变电流上升(电压为Vds不变,电流由0上升到Ip1)mos开通瞬间,电流从零快速开始上升到Ip1,此过程MOS的DS电压不变为Vds;
阶段二:电流不变电压下降(电流为Ip1不变,电压由Vds下降到0)电流上升到Ip1后,此时电流的上升斜率(Ip1-Ip2段)相对0-Ip1这一瞬间是非常缓慢的,我们可以近似把上升到Ip1之后继续上升的斜率认为是0,把电流基本认为是Ip1不变,此时MOS管的DS电压开始快速下降到0V。
➤MOS管关闭过程:
阶段一:电流不变电压上升(电流为Ip2不变,电压由0上升到Vds)电压从0快速开始上升到最高电压Vds,与开通同理此过程MOS的电流基本不变为Ip2;
阶段二:电压不变电流下降(点压为Vds不变,电流由Ip2下降到0)电压此时为Vds不变,电流迅速从Ip2以很大的下降斜率降到0。
下面直接给出最恶劣的情况的开通关断损耗的计算公式:
至于关断和开通的交越时间t下面会给出估算过程,请看下图:
开通时:电流0-Ip1上升的过程与电压Vds-0下降的过程同时发生。
关段时:电压0-Vds的上升过程与电流从Ip2-0的下降过程同时发生。
开通时的损耗推导
我们先把开通交越时间定位t1,我们大致看上去用平均法来计算好像直接可以看出来,Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs,实际上这是不对的,这个过程实际上准确的计算是,在时间t内每一个瞬时的都对应一个功率,然后把这段时间内所有的瞬时功率累加然后再除以开关周期T或者乘以开关频率fs。好了思想有了就只剩下数学问题了,我们一起来看下。
对于此式,Vds、Ip1在计算变压器时已经计算出来,fs是开关频率是已知的,所以只要求出t1就能估算出开通损耗。下面我来说一下t1的估算方法,思路是根据MOS管datasheet给出的栅极总电荷量来计算时间t1,用公式Qg=i*t来计算。
我们来看看上图是驱动的过程,Vth为MOS管的开通阈值,Vsp为MOS管的米勒平台,实际上MOS管从开始导通到饱和导通的过程是从驱动电压a点到b点这个区间。其中栅极总电荷Gg是可以在mos管的datasheet中可以查询到的。
然后就是要求这段时间的驱动电流,我们看下图,这个电流结合你的实际驱动电路来取值的。
根据你的驱动电阻R1的值和米勒平台电压可以把电流i计算出来。米勒平台电压Vsp也可以在MOS管的datasheet中可以查到。
然后再根据你的实际驱动电压(实际上就是近似等于芯片Vcc供电电压),实物电压做出来之前,在理论估算阶段可以自己先预设定一个,比如预设15V。我们计算时把Vth到Vsp这一段把它近似看成都等于Vsp,然后就很好计算出i了。
i=(Vcc-Vsp)/R1
此刻驱动电流i已经求出,接下来计算平台时间(a点到b点)t1。
Qg=i*t1
t1=Qg/i
接下来我们总结一下开关MOS开通时的损耗计算公式
i=(Vcc-Vsp)/R1 计算平台处驱动电流
t1=Qg/i 计算平台的持续时间(也就是mos开通时,电压电流的交越时间)
Pon=1/6*Vds*Ip1*t1*fs
关断时的损耗推导
➤MOS管开过程:
对于关断时的损耗计算跟开通时的损耗就算推导方式没什么区别,这里给出一个简单的结果。
i=(Vsp)/R2 计算平台处驱动电流
t1=Qg/i 计算平台的持续时间(也就是mos关断时,电压电流的交越时间)
Ptoff=1/6*Vds*Ip1*t1*fs
上文是针对反激CCM,对于DCM的计算方法是一样的,不过DCM下Ip1为0,开通损耗是可以忽略不计的,关断损耗计算方法一样。
举个例子
基于BUCK电源计算
假设现在有一降压电源,参数如下:
输入:Uin=12V
输出:Uout=1.8V
开关频率:f=500K
负载电流:Io=20A
纹波系数:r=0.4
选择的MOS管为凌特的BSC050N03,参数如下
计算:
➤MOS管损耗
(1)导通损耗
MOS管导通损耗的计算公式为:P=I^2R= Rdson* Iqsw* IqswD= 20x20x61.8/12=0.36W
(2)开关损耗
开关损耗的计算公式:Psw=1/2* Vin*Iout *Fsx(Qgs2+Qgd)/Ig。
如果只计算开通损耗有:Psw=0.512(20-4)500k * (6n/5)=0.576W
如果只计算关断损耗有:Psw=0.512*(20+4)*500k * (6n/1)=0.432W
Ig由选择的驱动芯片决定,LTC3883,驱动电压Vgs=5V
(3)驱动损耗
Pgate=VgQgfs=513n500k=0.0325W
开关管的总损耗:P=0.36+0.576+0.432+0.0325=1.4W
用示波器怎么测试MOS功率损耗
一般来说,开关管工作的功率损耗原理图如下图所示,主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”,小部分能量体现在“导通状态”,而关闭状态的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。
实际的测量波形图一般如下图所示。
小编给大家找了网上大神用示波器测量普通 MOSFET 的功率损耗的视频,如下:
MOSFET 和 PFC MOSFET 的测试区别
对于普通 MOS 管来说,不同周期的电压和电流波形几乎完全相同,因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于 PFC MOS 管来说,不同周期的电压和电流波形都不相同,因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于 10ms),较高采样率(推荐 1G 采样率)的波形捕获,此时需要的存储深度推荐在 10M 以上,并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算,实测截图如下图所示。
小编给大家找了网上大神用示波器测量PFC MOSFET 的功率损耗的视频,如下: