MOS管知識-MOSFET耗散功率計算圖文詳細解析-KIA MOS管

計算MOSFET的耗散功率

為了確定一個(gè)MOSFET是否適合于某特定應用，你必須計算一下其功率耗散，它主要包含阻性和開(kāi)關(guān)損耗兩部分:

由于MOSFET耗散功率很大程度上依賴(lài)于它的導通電阻(Rds(ON)，計算RDs(ON)看上去是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。但是MOSFET的Rds(ON)與它的結溫(Tj)有關(guān)。話(huà)說(shuō)回來(lái)，Tj 又依賴(lài)于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(θjA)。這樣，似乎很難找到一個(gè)著(zhù)眼點(diǎn)。由于功率耗散的計算涉及到若干個(gè)相互依賴(lài)的因素，我們可以采用一種迭代過(guò)程獲得我們所需要的結果。

迭代過(guò)程始于為每個(gè)MOSFET假定一個(gè)結溫，然后，計算每個(gè)MOSFET各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度。當允許的環(huán)境氣溫達到或略高于期望的機殼內最高溫度時(shí)，這個(gè)過(guò)程便結束了。有些人總試圖使這個(gè)計算所得的環(huán)境溫度盡可能高，但通常這并不是一個(gè)好主意。

這樣作就要求采用更昂貴的MOSFET,在MOSFET下鋪設更多的銅膜，或者要求采用一個(gè)更大、更快速的風(fēng)扇產(chǎn)生氣流一所有這些都不是我們所期望的。從某種意義上講，先假定一個(gè)MOSFET結溫，然后再計算環(huán)境溫度，這是一種逆向的考慮方法。畢竟環(huán)境溫度決定了MOSFET的結溫一而不是相反。

不過(guò)，從一個(gè)假定的結溫開(kāi)始計算要比從環(huán)境溫度開(kāi)始容易一些。對于開(kāi)關(guān)MOSFET和同步整流器，我們可以選擇一個(gè)最大允許的管芯結溫(TJ(HOT)作為迭代過(guò)程的出發(fā)點(diǎn)。

多數MOSFET的數據手冊只規定了+25°C下的最大Rds(ON)，不過(guò)最近有些產(chǎn)品也提供了+125'C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著(zhù)溫度而增加，典型溫度系數在0.35%/°C至0.5%/°C之間。

如果拿不準，可以用一個(gè)較為保守的溫度系數和MOSFET的+25°C規格(或+125°C規格，如果有的話(huà))近似估算在選定的TJ（HOT)下的最大Rds(ON):

其中，Rds(ON)SPEC 是計算所用的MOSFET導通電阻，TsPEC 是規定Rds(ON)SPEc時(shí)的溫度。利用計算出的Rds(ON)HOT,可以確定同步整流器和開(kāi)關(guān)MOSFET的功率消耗，具體做法如下所述,我們將討論如何計算各個(gè)MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗，以及完成迭代過(guò)程的后續步驟(整個(gè)過(guò)程詳述于圖1)。

同步整流器的功率消耗

除最輕負載以外，各種情況下同步整流器MOSFET的漏源電壓在打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中都會(huì )被續流二極管鉗位。因此，同步整流器幾乎沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗,它的功率消耗很容易計算。只需要考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器工作在最大占空比時(shí)，也就是當輸人電壓達到最大時(shí)。

利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比，通過(guò)歐姆定律，我們可以近似計算出它的功率消耗:

開(kāi)關(guān)MOSFET的功率耗散

開(kāi)關(guān)MOSFET的阻性損耗計算和同步整流器非常相似，也要利用它的占空比(不同于前者)和

開(kāi)關(guān)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗計算起來(lái)比較困難，因為它依賴(lài)于許多難以量化并且通常沒(méi)有規格的因素，這些因素同時(shí)影響到打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程。我們可以首先用以下粗略的近似公式對某個(gè)MOSFET進(jìn)行評價(jià)，然后通過(guò)實(shí)驗對其性能進(jìn)行驗證:

其中CRss是MOSFET的反向傳輸電容(數據手冊中的一個(gè)參數)，fsw 為開(kāi)關(guān)頻率，IGATE是MOSFET的柵極驅動(dòng)器在MOSFET處于臨界導通(VGs位于柵極充電曲線(xiàn)的平坦區域)時(shí)的吸收/源出電流。一旦基于成本因素將選擇范圍縮小到了特定的某一代MOSFET(不同代MOSFET的成本差別很大)，我們就可以在這一代的器件中找到一個(gè)能夠使功率耗散最小的器件。

這個(gè)器件應該具有均衡的阻性和開(kāi)關(guān)損耗。使用更小(更快)的器件所增加的阻性損耗將超過(guò)它在開(kāi)關(guān)損耗方面的降低,而更大(Rds(ON)更低)的器件所增加的開(kāi)關(guān)損耗將超過(guò)它對于阻性損耗的降低。如果VIN是變化的，需要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下分別計算開(kāi)關(guān)MOSFET的功率耗散。

MOSFET功率耗散的最壞情況可能會(huì )出現在最低或最高輸入電壓下。該耗散功率是兩種因素之和:在VIN(MIN)時(shí)達到最高的阻性耗散(占空比較高)，以及在VIN（MAx)時(shí)達到最高的開(kāi)關(guān)損耗(由于VIN2項的緣故)。一個(gè)好的選擇應該在VIN的兩種極端情況下具有大致相同的耗散，并且在整個(gè)VIN范圍內保持均衡的阻性和開(kāi)關(guān)損耗。

如果損耗在VIN(MIN)時(shí)明顯高出，則阻性損耗起主導作用。這種情況下，可以考慮用一個(gè)更大一點(diǎn)的開(kāi)關(guān)MOSFET(或將一個(gè)以上的多個(gè)管子相并聯(lián))以降低RDs(ON).但如果在VIN(MAx)時(shí)損耗顯著(zhù)高出，則應該考慮降低開(kāi)關(guān)MOSFET的尺寸(如果是多管并聯(lián)的話(huà)，或者去掉一個(gè)MOSFET)，以便使其開(kāi)關(guān)速度更快一點(diǎn)。

如果阻性和開(kāi)關(guān)損耗已達平衡，但總功耗仍然過(guò)高，有多種辦法可以解決:改變問(wèn)題的定義。例如，重新定義輸人電壓范圍。

改變開(kāi)關(guān)頻率以便降低開(kāi)關(guān)損耗，有可能使用更大一點(diǎn)的、RdS(ON)更低的開(kāi)關(guān)MOSFET。

增加柵極驅動(dòng)電流，有可能降低開(kāi)關(guān)損耗。MOSFET自身的內部柵極電阻最終限制了柵極驅動(dòng)電流，實(shí)際上限制了這種方法的有效性。

采用一個(gè)改進(jìn)技術(shù)的MOSFET，以便同時(shí)獲得更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的RDS(ON)和更低的柵極電阻。

脫離某個(gè)給定的條件對MOSFET的尺寸作更精細的調整是不大可能的，因為器件的選擇范圍是有限的。選擇的底線(xiàn)是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。

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