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时间:2018-11-04
《开关电源mosfet的交越损耗分析》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、随着环保节能的观念越来越被各国所重视,电子产品对开关电源需求不断增长,开关电源的功率损耗测量分析也越来越重要。由于开关电源内部消耗的功率决定了电源热效应的总体效率,所以了解开关电源的功率损耗是一项极为重要的工作。本文详细分析开关电源的核心器件之一---MOSFET开关管的交越损耗,从而使电子工程师更加深入理解MOSFET产生损耗的过程。MOSFET交越损耗1.开通过程中MOSFET开关损耗 功率MOSFET的栅极电荷特性如图1所示。 图1MOSFET开关过程中栅极电荷特性 开通过程中,从t0时刻起,栅源极间电容开始充电,栅电压开始上升,栅极电压为
2、 其中:,VGS为PWM栅极驱动器的输出电压,Ron为PWM栅极驱动器内部串联导通电阻,Ciss为MOSFET输入电容,Rg为MOSFET的栅极电阻。 VGS电压从0增加到开启阈值电压VTH前,漏极没有电流流过,时间t1为 VGS电压从VTH增加到米勒平台电压VGP的时间t2为 VGS处于米勒平台的时间t3为 t3也可以用下面公式计算: 注意到了米勒平台后,漏极电流达到系统最大电流ID,
3、就保持在电路决定的恒定最大值ID,漏极电压开始下降,MOSFET固有的转移特性使栅极电压和漏极电流保持比例的关系,漏极电流恒定,因此栅极电压也保持恒定,这样栅极电压不变,栅源极间的电容不再流过电流,驱动的电流全部流过米勒电容。过了米勒平台后,MOSFET完全导通,栅极电压和漏极电流不再受转移特性的约束,就继续地增大,直到等于驱动电路的电源的电压。 MOSFET开通损耗主要发生在t2和t3时间段。下面以一个具体的实例计算。 输入电压12V,输出电压3.3V/6A,开关频率350kHz,PWM栅极驱动器电压为5V,导通电阻1.5Ω,关断的下拉电阻为0.5Ω,所用的MOSFET为A
4、O4468,具体参数为Ciss=955pF,Coss=145pF,Crss=112pF,Rg=0.5Ω;当VGS=4.5V,Qg=9nC;当VGS=10V,Qg=17nC,Qgd=4.7nC,Qgs=3.4nC;当VGS=5V且ID=11.6A,跨导gFS=19S;当VDS=VGS且ID=250μA,VTH=2V;当VGS=4.5V且ID=10A,RDS(ON)=17.4mΩ。 开通时米勒平台电压VGP: 计算可以得到电感L=4.7μH.,满载时电感的峰峰电流为1.454A,电感的谷点电流为5.273A,峰值电流为6.727A,所以,开通时米勒平
5、台电压VGP=2+5.273/19=2.278V,可以计算得到: 开通过程中产生开关损耗为 开通过程中,Crss和米勒平台时间t3成正比,计算可以得出米勒平台所占开通损耗比例为84%,因此米勒电容Crss及所对应的Qgd在MOSFET的开关损耗中起主导作用。Ciss=Crss+Cgs,Ciss所对应电荷为Qg。对于两个不同的MOSFET,两个不同的开关管,即使A管的Qg和Ciss小于B管的,但如果A管的Crss比B管的大得多时,A管的开
6、关损耗就有可能大于B管。因此在实际选取MOSFET时,需要优先考虑米勒电容Crss的值。 减小驱动电阻可以同时降低t3和t2,从而降低开关损耗,但是过高的开关速度会引起EMI的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压,也就是降低阈值开启电压,提高跨导,也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使MOSFET容易受到干扰误导通,增大跨导将增加工艺复杂程度和成本。2.关断过程中MOSFET开关损耗 关断的过程如图1所示,分析和上面的过程相同,需注意的就是此时要用PWM驱动器内部的下拉电阻0.5Ω和Rg串联计算,同时电流要用最大电流即峰值电流6.727A来计
7、算关断的米勒平台电压及相关的时间值:VGP=2+6.727/19=2.354V。 关断过程中产生开关损耗为: Crss一定时,Ciss越大,除了对开关损耗有一定的影响,还会影响开通和关断的延时时间,开通延时为图1中的t1和t2,图2中的t8和t9。 图2断续模式工作波形Coss产生开关损耗与对开关过程的影响1.Coss产生
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