如何計算MOSFET實際應用中的損耗

功率半導體自20世紀50年代開始發展起來，至今形成以二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等為代表的多世代產品體系。新技術、新產品的誕生拓寬了原有產品和技術的應用范圍，適應更多終端產品的需求，MOSFET同樣衍生出GaN，SiC新型材料的產品去覆蓋更高功率密度、更高電壓、以及高開關速度的應用場景。MOSFET呈現多世代并存的特點。本文基于規格書的參數去計算MOSFET實際應用中的損耗，幫助工程師做設計選型參考。

通常在開關模式下運行的MOSFET的功率損耗 (Pt) 可分為三種：

1. 導通損耗 (Pc)

2.?開關損耗 (Psw)

3.?泄漏損失 (Pb)，通常被忽略

因此，在開關模式運行MOSFET損耗：

導通損耗Pc

1. 導通損耗Pc和體內二極管損耗Pcd計算

功率MOSFET中的損耗可以用漏極-源極導通電阻 (RDSon) 的MOSFET近似值計算：

UDS和ID分別是漏源電壓和漏電流

典型RDSon可從數據手冊圖中讀取，如圖1所示，其中ID為MOSFET導通狀態電流

圖1 漏源電阻與漏電流的函數關系(TJ = 25°C時)

因此通過開關周期內瞬時功率損耗的積分可以給出MOSFET傳

其中，IDrms為MOSFET導通狀態電流的有效值

2. 二極管導通損耗

反并聯二極管的傳導損耗可以使用二極管近似來估算，近似具有代表二極管導通狀態零電流電壓的DC電壓源(uD0)和二極管導通狀態電阻(RD)的串聯連接，uD是二極管兩端的電壓，如果通過二極管的電流：

這些參數可以從圖2所示的MOSFET數據手冊的圖表中讀取。為了考慮參數變化，從而進行保守計算，從圖表中讀取的UD0值必須用(UDmax/UDtyp)進行縮放。這些精確值可以從數據表中讀取，在實際計算時，也可以使用典型的安全裕度值(10%-20%)。

如果平均二極管電流為IFav，均方根二極管電流為IFrms，則開關周期內的平均二極管導通損耗(Tsw=1/fsw)為：

圖2 二極管電阻與二極管電流的關系

3. RDSon - 考慮溫度變化

圖1所示的RDSon指的是典型值，RDSon max (25°C) 為25°C時RDSon的最大值一般是在25°C溫度下獲得的，但RDSon取值需要考慮溫度變化。

圖3?從數據手冊中讀取RDSon max?(25°C)

圖4 從數據手冊中讀取TJ/RDSon

開關損耗Psw

用于檢查MOSFET開關損耗的電路如圖5所示。它是一個單象限斬波器，為感性負載供電。MOSFET由驅動器電路驅動，在其輸出端提供電壓UDr。MOSFET內部二極管用作續流二極管。在大多數應用中，整個拓撲由一個或多個基于MOSFET的半橋組成。如三相交流電機驅動、DC電機驅動、同步DC/DC 轉換器等。如果使用外部續流二極管，可以取自二極管數據手冊，計算仍然有效。

圖5 帶感性負載的MOSFET斬波器

對于功率損耗的計算，MOSFET開關過程的線性近似就足夠了，如后所述，這是最差情況的計算。功率MOSFET的理想開關過程如圖6所示。最上面的部分(A)表示柵極電壓(uGS)和電流(iG)；下一個(B)顯示漏源電壓(uDS)和漏電流(iD)，未考慮續流二極管的反向恢復。C部分給出了功率損耗的定性概述，而D部分顯示了反向恢復對開關損耗的影響。

1. 開通瞬態

驅動器電路將其狀態從0V變為UDr，柵極電壓上升至閾值電壓(UGS(th))，時間常數由柵極電阻和等效MOSFET輸入電容定義(Ciss=CGD+CGS)。在柵極電壓達到UGS(th)之前，輸出不會改變。

達到UGS(th)后，漏極電流上升并接管負載電流。零與IDon(由應用定義)之間的電流上升時間(tri)的最差情況值可以從MOSFET數據手冊中讀取，如圖7所示。在電流上升期間，續流二極管仍然導通，漏源電壓為UDD。

為了使二極管關斷，必須移除在其中的所有少數載流子（見圖6）。這種反向恢復電流必須被MOSFET吸收，導致額外的功率損耗。功率損耗計算中使用的反向恢復電荷(Qrr)和持續時間(trr)的最差情況值可以從MOSFET數據手冊中讀取（見圖8）。

圖6 功率MOSFET的開關瞬態

圖7 從數據手冊中讀取電流上升時間(紅色)和下降時間(藍色)

圖8 從數據手冊中讀取反向恢復時間(紅色)和電荷(藍色)

二極管關斷后，漏源電壓從uDS=UDD下降到其導通狀態值uDS=RDSon*Ion。發生米勒效應，柵極-源極電壓被箝位在uGS=U(平臺)(見圖9)。漏極-源極電壓的斜率由流經柵極-漏極電容的柵極電流決定(CGD=Crss)。為了以合理的精度計算電壓下降時間(tfu)，必須考慮柵極-漏極電容的非線性。圖10示出了柵極-漏極電容對漏極-源極電壓的典型依賴關系。這種非線性不容易結合到計算中。這就是使用兩點近似的原因。假設如果漏極-源極電壓在uDS [UDD/2，UDD范圍內，則柵極-漏極電容的值為CGD1= CGD(UDD)。另一方面，如果漏極-源極電壓在uDS [0V, UDD/2范圍內，則柵極-漏極電容值為CGD2= CGD(RDSon*Ion)。確定這些電容的方法如圖10所示。在圖6B中用虛線示出了下降時間期間的漏極-源極電壓，考慮兩點近似。這種近似僅用于確定電壓下降時間(以及關斷期間的上升時間)，并且假設漏極-源極電壓具有線性形式(圖6B中的實線)，因此很明顯這種分析呈現了開關損耗計算的最壞情況。

tfu期間的柵極電流可計算如下: