MOS管損耗的8個(gè)部分詳解【收藏】-KIA MOS管

MOSFET的工作損耗

在器件設計選擇過(guò)程中需要對 MOSFET 的工作過(guò)程損耗進(jìn)行先期計算（所謂先期計算是指在沒(méi)能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規格書(shū)提供的參數及工作電路的計算值和預計波形，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.導通損耗Pon

導通損耗，指在 MOSFET 完全開(kāi)啟后負載電流（即漏源電流） IDS（on）（t）在導通電阻 RDS（on）上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導通損耗計算

先通過(guò)計算得到 IDS（on）（t）函數表達式并算出其有效值 IDS（on）rms，再通過(guò)如下電阻損耗計算式計算：

Pon=IDS（on）rms2× RDS（on）× K × Don

說(shuō)明：

計算 IDS（on）rms時(shí)使用的時(shí)期僅是導通時(shí)間 Ton ，而不是整個(gè)工作周期 Ts ； RDS（on） 會(huì )隨 IDS（on）（t）值和器件結點(diǎn)溫度不同而有所不同，此時(shí)的原則是根據規格書(shū)查找盡量靠近預計工作條件下的 RDS（on） 值（即乘以規格書(shū)提供的一個(gè)溫度系數 K ）。

2.截止損耗Poff

截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS（off） 應力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS造成的損耗。

截止損耗計算

先通過(guò)計算得到 MOSFET 截止時(shí)所承受的漏源電壓 VDS（off） ，在查找器件規格書(shū)提供之 IDSS ，再通過(guò)如下公式計算：

Poff=VDS（off）× IDSS×（ 1-Don）

說(shuō)明：

IDSS 會(huì )依 VDS（off） 變化而變化，而規格書(shū)提供的此值是在一近似 V（BR）DSS條件下的參數。如計算得到的漏源電壓 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(kāi)啟過(guò)程損壞

開(kāi)啟過(guò)程損耗，指在 MOSFET 開(kāi)啟過(guò)程中逐漸下降的漏源電壓 VDS（off_on）（t）與逐漸上升的負載電流（即漏源電流） IDS（off_on）（t）交叉重疊部分造成的損耗。

開(kāi)啟過(guò)程損耗計算

開(kāi)啟過(guò)程 VDS（off_on）（t） 與 IDS（off_on）（t） 交叉波形如上圖所示。

首先須計算或預計得到開(kāi)啟時(shí)刻前之 VDS（off_end）、開(kāi)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(shí)間 Tx。然后再通過(guò)如下公式計算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（off_on）（t） × ID（off_on）（t） × dt

實(shí)際計算中主要有兩種假設 — 圖 （A） 那種假設認為 VDS（off_on）（t）的開(kāi)始下降與 ID（off_on）（t）的逐漸上升同時(shí)發(fā)生；

圖 （B） 那種假設認為 VDS（off_on）（t）的下降是從 ID（off_on）（t）上升到最大值后才開(kāi)始。圖 （C） 是 FLYBACK 架構路中一 MOSFET 實(shí)際測試到的波形，其更接近于 （A） 類(lèi)假設。

針對這兩種假設延伸出兩種計算公式：

（A） 類(lèi)假設 Poff_on=1/6 × VDS（off_end） × Ip1× tr × fs

（B） 類(lèi)假設 Poff_on=1/2 × VDS（off_end） × Ip1 × （td（on）+tr） × fs

（B） 類(lèi)假設可作為最?lèi)毫幽Ｊ降挠嬎阒怠?/span>

說(shuō)明：

圖 （C） 的實(shí)際測試到波形可以看到開(kāi)啟完成后的 IDS（on_beginning）》》Ip1（電源使用中 Ip1 參數往往是激磁電流的 初始值）。疊加的電流波峰確切數值我們難以預計得到，其跟電路架構和器件參數有關(guān)。

例如 FLYBACK 中 實(shí)際電流應 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib （Ia 為次級端整流二極管的反向恢 復電流感應回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側繞組層間寄生電容在 MOSFET 開(kāi)關(guān)開(kāi)通瞬間釋放的 電流 ） 。

這個(gè)難以預計的數值也是造成此部分計算誤差的主要原因之一。

4.關(guān)斷過(guò)程損耗

關(guān)斷過(guò)程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過(guò)程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS（on_off） （t）與逐漸 下降的漏源電流 IDS（on_off）（t）的交叉重 疊部分造成的損耗。

關(guān)斷過(guò)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(lèi)似。

首先須計算或預計得到關(guān)斷完成后之漏源電壓 VDS（off_beginning）、關(guān)斷時(shí)刻前的負載電流 IDS（on_end）即圖示之 Ip2 以及 VDS（on_off） （t）與 IDS（on_off）（t）重疊時(shí)間 Tx 。

然后再通過(guò)如下公式計算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（on_off）（t） × IDS（on_off）（t） × dt

實(shí)際計算中，針對這兩種假設延伸出兩個(gè)計算公式：

（A） 類(lèi)假設 Poff_on=1/6 × VDS（off_beginning） × Ip2 × tf × fs

（B） 類(lèi)假設 Poff_on=1/2 × VDS（off_beginning） × Ip2 × （td（off）+tf） × fs

（B） 類(lèi)假設可作為最?lèi)毫幽Ｊ降挠嬎阒怠?/span>

說(shuō)明：

IDS（on_end） =Ip2，電源使用中這一參數往往是激磁電流 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(gè)很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗估算。

5.驅動(dòng)損壞Pgs

驅動(dòng)損耗，指柵極接受驅動(dòng)電源進(jìn)行驅動(dòng)造成之損耗。

驅動(dòng)損耗的計算

確定驅動(dòng)電源電壓 Vgs后，可通過(guò)如下公式進(jìn)行計算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

說(shuō)明：

Qg 為總驅動(dòng)電量，可通過(guò)器件規格書(shū)查找得到。

6.Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損壞，指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場(chǎng)能于導同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計算

首先須計算或預計得到開(kāi)啟時(shí)刻前之 VDS，再通過(guò)如下公式進(jìn)行計算：

Pds=1/2 × VDS（off_end）2× Coss × fs

說(shuō)明：

Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過(guò)器件規格書(shū)查找得到。

7.體內寄生二極管正向導通損耗Pd_f

體內寄生二極管正向導通損耗，指MOS體內寄生二極管在承載正向電流時(shí)因正向壓降造成的損耗。

體內寄生二極管正向導通損耗計算

在一些利用體內寄生二極管進(jìn)行載流的應用中（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 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向導通壓降， tx 為一周期內二極管承載電流的時(shí)間。

說(shuō)明：

會(huì )因器件結溫及承載的電流大小不同而不同。可根據實(shí)際應用環(huán)境在其規格書(shū)上查找到盡量接近之數值。

8.體內寄生二極管反向恢復損耗Pd_recover

體內寄生二極管反向恢復損耗，指MOS體內寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復造成的損耗。

體內寄生二極管反向恢復損耗計算

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 為二極管反向恢復電量，由器件提供之規格書(shū)中查找而得。

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