MOSFET在电力电子领域应用广泛,损耗是一项重要的应用指标,关系到系统的效率和热是否符合要求。MOSFET的损耗包含开关损耗和通态损耗两部分,通态损耗可以根据电流有效值进行计算,但开关损耗的计算比较复杂,需要考虑多方面因素。尚阳通具有型号丰富的MOSFET,可以满足大部分电力电子领域的损耗需求。

MOSFET属于电压控制型元件,因此,需要外部施加电压脉冲信号实现开关动作,如图1所示。驱动电压幅值为Vdr,驱动电阻Rg可以用来调整开关速度。除了外部参数Vdr和Rg,MOSFET的开关过程主要与阈值电压Vgs(th)、跨导gfs和结电容这三个内部参数有关,根据这些参数,可以粗略计算出开关损耗。

图1. MOSFET简单驱动电路

MOSFET结电容包括栅极与源极之间的结电容Cgs、栅极与漏极之间的结电容Cgd,以及漏极与源极之间的结电容Cds。实际应用中,通常需要把结电容组合起来考虑。因此,为了更直观查找数据,规格书中通常按以下方式对结电容进行展示:

Input Capacitance:Ciss=Cgs+Cgd,

Output Capacitance:Coss=Cgd+Cds

Reverse Transfer Capacitance:Crss=Cgd

图2. MOSFET结电容等效模型

开通过程中,驱动电压维持高电平Vdr,可以等效为一个直流恒压源。Vdr经过驱动电阻Rg,元件内部Rg(in),给输入电容Ciss充电。

从t0时刻开始,

其中,

Vgs(t)上升到t1时刻,达到阈值电压Vgs(th),MOSFET开始导通,电流开始增加。t2时刻,Vgs(t)上升到米勒平台Vplat,电流达到设置电流Id。中,米勒平台可以根据以下公式计算出来:

电流上升的时间为t2-t1:

米勒平台区域(t2-t3时刻),Vgs(t)维持在稳定,Vds开始下降,直至达到正常导通电压Vds(on)。此阶段,主要由电容Crss决定。

由于Crss随着Vds变化,直接取一点的Crss进行计算可能会有较大偏差,此时也可以使用Qgd计算电压下降时间。

因此,开通损耗Eon为:

同理,在关断过程中,外部驱动电压为0,可以等效为结电容Ciss通过驱动电阻Rg和内部Rg(in)进行放电。

t6-t7时刻为电压上升时间:

t7-t8时刻为电流下降时间:

关断损耗为:

综合上面的计算,单个脉冲时开关损耗为:Etst=Eon+Eoff

图3. MOSFET开通和关断过程

但是,很多人会发现,用上述的公式计算出来的开关损耗与实际差异很大,原因在哪里呢?

首先,上述公式并未考虑电容Coss的影响。在开通过程中,Vds电压下降,由于电容Coss电压不能突变,会使得Vds下降速度变慢;此外,Coss放电使得流经MOSFET沟道的电流Id变大,从而使得开通损耗Eon也变大。在关断过程中,Vds电压上升,Coss分摊掉部分Id,但是由于Vds也变得平缓,关断损耗Eoff的变化需根据实际情况判断。

图4. 考虑Coss的MOSFET关过程

其次,MOSFET各个引脚还包含nH级别的杂散电感,该杂散电感不仅会引起Vds应力过高、驱动震荡等问题,还是会影响开关速度的,尤其是对电流变化率di/dt的影响。

图5. 考虑杂散电感的MOSFET模型

图6. 考虑杂散电感的MOSFET开关过程

在开通过程中,在t1-t2时间段内,沟道电流Id电流上升,源级杂散电感上形成上正下负电压,抵消部分驱动电压Vdr的作用,给电容Ciss充电速度变慢,电流上升速度也就变慢,开通损耗Eon变大。在关断过程中,在t7-t8时间段内,沟道电流Id下降,源级杂散电感上形成上负下正电压,加速Ciss上电荷泄放,关断速度加快,关断损耗Eoff变小。

如果同时考虑输出电容Coss和杂散电感的影响,那么实际波形将复杂得多,用数学公式精确计算开关损耗比较困难。此外,每个系统的电路都有各自的耦合参数,建议在待测电路板上直接进行双脉冲测试,从而得到真实可靠的开关损耗数据。

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