MOS管損耗的8個(gè)組成部分

　　在器件設(shè)計(jì)選擇過(guò)程中需要對(duì) MOSFET 的工作過(guò)程損耗進(jìn)行先期計(jì)算（所謂先期計(jì)算是指在沒(méi)能夠測(cè)試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書(shū)提供的參數(shù)及工作電路的計(jì)算值和預(yù)計(jì)波形，套用公式進(jìn)行理論上的近似計(jì)算）。

　　MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：

　　1、導(dǎo)通損耗Pon

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

　　導(dǎo)通損耗計(jì)算：

　　先通過(guò)計(jì)算得到 IDS（on）（t） 函數(shù)表達(dá)式并算出其有效值 IDS（on）rms ，再通過(guò)如下電阻損耗計(jì)算式計(jì)算：

　　Pon=IDS（on）rms2 × RDS（on） × K × Don

　　說(shuō)明：

　　計(jì)算 IDS（on）rms 時(shí)使用的時(shí)期僅是導(dǎo)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(jié)點(diǎn)溫度不同而有所不同，此時(shí)的原則是根據(jù)規(guī)格書(shū)查找盡量靠近預(yù)計(jì)工作條件下的 RDS（on） 值（即乘以規(guī)格書(shū)提供的一個(gè)溫度系數(shù) 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(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS 造成的損耗。

　　截止損耗計(jì)算：

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

　　Poff=VDS（off） × IDSS ×（ 1-Don ）

　　說(shuō)明：

　　IDSS 會(huì)依 VDS（off） 變化而變化，而規(guī)格書(shū)提供的此值是在一近似 V（BR）DSS 條件下的參數(shù)。如計(jì)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(xiàng)。

　　3、開(kāi)啟過(guò)程損耗

　　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(fù)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(jì)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(jì)算或預(yù)計(jì)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(jì)算：

　　Poff_on= fs ×∫ Tx VDS（off_on）（t） × ID（off_on）（t） × dt

　　實(shí)際計(jì)算中主要有兩種假設(shè) — 圖 （A） 那種假設(shè)認(rèn)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(shè)認(rèn)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(gòu)路中一 MOSFET 實(shí)際測(cè)試到的波形，其更接近于 （A） 類(lèi)假設(shè)。針對(duì)這兩種假設(shè)延伸出兩種計(jì)算公式：

　?。ˋ） 類(lèi)假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS（off_end） × Ip1 × tr × fs

　?。˙） 類(lèi)假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS（off_end） × Ip1 × （td（on）+tr） × fs

　?。˙） 類(lèi)假設(shè)可作為最?lèi)毫幽Ｊ降挠?jì)算值。

　　說(shuō)明：

　　圖 （C） 的實(shí)際測(cè)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(shù)往往是激磁電流的 初始值）。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計(jì)得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。例如 FLYBACK 中 實(shí)際電流應(yīng)是 Itotal=Idp1+Ia+Ib （Ia 為次級(jí)端整流二極管的反向恢 復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級(jí)側(cè)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(yù)計(jì)的數(shù)值也是造成此部分計(jì)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(jì)算：

　　如上圖所示，此部分損耗計(jì)算原理及方法跟 Poff_on 類(lèi)似。首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)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(fù)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(jì)算：

　　Poff_on= fs ×∫ Tx VDS（on_off） （t） × IDS（on_off）（t） × dt

　　實(shí)際計(jì)算中，針對(duì)這兩種假設(shè)延伸出兩個(gè)計(jì)算公式：

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

　?。˙） 類(lèi)假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS（off_beginning） × Ip2 × （td（off）+tf） × fs

　?。˙） 類(lèi)假設(shè)可作為最?lèi)毫幽Ｊ降挠?jì)算值。

　　說(shuō)明：

　　IDS（on_end） =Ip2 ，電源使用中這一參數(shù)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(yàn)估算。

　　5、驅(qū)動(dòng)損耗Pgs

　　驅(qū)動(dòng)損耗，指柵極接受驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)造成之損耗

　　驅(qū)動(dòng)損耗的計(jì)算：

　　確定驅(qū)動(dòng)電源電壓 Vgs 后，可通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

　　Pgs= Vgs × Qg × fs

　　說(shuō)明：

　　Qg 為總驅(qū)動(dòng)電量，可通過(guò)器件規(guī)格書(shū)查找得到。

　　6、Coss電容的泄放損耗Pds

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

　　Coss電容的泄放損耗計(jì)算：

　　首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到開(kāi)啟時(shí)刻前之 VDS ，再通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)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(guī)格書(shū)查找得到。

　　7、體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

　　體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗，指MOS體內(nèi)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(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計(jì)算：

　　在一些利用體內(nèi)寄生二極管進(jìn)行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對(duì)此部分之損耗進(jìn)行計(jì)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?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時(shí)間。

　　說(shuō)明：

　　會(huì)因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書(shū)上查找到盡量接近之?dāng)?shù)值。

　　8、體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover

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

　　體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計(jì)算：

　　這一損耗原理及計(jì)算方法與普通二極管的反向恢復(fù)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(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書(shū)中查找而得。

　　MOS設(shè)計(jì)選型的幾個(gè)基本原則

　　建議初選之基本步驟：

　　1、電壓應(yīng)力

　　在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書(shū)中標(biāo)稱(chēng)漏源擊穿電壓的 90% 。即：

　　VDS_peak ≤ 90% * V（BR）DSS

　　注：一般地， V（BR）DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V（BR）DSS值作為參考。

　　2、漏極電流

　　其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書(shū)中標(biāo)稱(chēng)最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書(shū)中標(biāo)稱(chēng)漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

　　ID_max ≤ 90% * ID

　　ID_pulse ≤ 90% * IDP

　　注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負(fù)溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書(shū)目中之 ID 會(huì)比實(shí)際最大工作電流大數(shù)倍，這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計(jì)算時(shí)期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = （3~5）*ID_max。

　　3、驅(qū)動(dòng)要求

　　MOSFEF 的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿(mǎn)足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書(shū)中的建議值）

　　4、損耗及散熱

　　小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

　　5、損耗功率初算

　　MOSFET 損耗計(jì)算主要包含如下 8 個(gè)部分：

　　PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

　　詳細(xì)計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場(chǎng)合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時(shí)的反向恢復(fù)損耗。損耗計(jì)算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。

　　6、耗散功率約束

　　器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD，max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

　　PD，max ≤ （ Tj，max - Tamb ） / Rθj-a

　　其中 Rθj-a 是器件結(jié)點(diǎn)到其工作環(huán)境之間的總熱阻 ， 包括 Rθjuntion-case，Rθcase-sink，Rθsink-ambiance 等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進(jìn)去。