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MOSFET导通过程中的开关损耗如何计算?1200字手把手教你搞定这个电路知识点

Part 01 前言

MOSFET导通过程中的开关损耗这部分内容是关于MOSFET在开关过程中的交叉损耗Cross Loss计算,主要涉及导通时间的估算和功耗分析。公式是什么?如何计算呢?设计中又有哪些需要注意的地方?接下来就把它通俗易懂地讲一下。以下分析基于MOSFET驱动感性负载哦,如果是驱动阻性负载,算法是不一样的,大家注意!

交叉损耗是啥?

交叉损耗是MOSFET在开关过程中,比如从关断到导通产生的功耗。那它为啥会产生呢?原因是MOSFET导通时,漏源电压Vds和电流ID不是瞬间变化的,而是有个过渡过程。这段时间里,电压和电流同时存在,功率 Vds× ID就会产生损耗。

那为啥要算它呢?

交叉损耗直接影响MOSFET的发热和效率,尤其在高频开关电路,比如DC-DC转换器中,频率高了,损耗累积就很可观,散热设计就得跟上。

Part 02 计算过程

1.交叉损耗的计算公式

Vin:输入电压

Io:负载电流

tcrossturnon:交叉时间(导通过程中的电压电流重叠时间)

fsw:开关频率

2.交叉时间的计算:tcrossturnon

交叉时间tcrossturnon是MOSFET从关断到完全导通的过渡时间,计算方法如下:

t2:栅极电压从阈值电压VT上升到米勒平台电压所需的时间。

t3:米勒平台阶段,漏源电压Vds从高电压下降到导通状态的时间。

2.1.计算t2:栅极充电时间

Tg:栅极充电时间常数:

Rdrive:驱动电阻,假定是2Ω

Cg:栅极电容,假定是300pF(包括栅源电容Cgs 和栅漏电容Cgd)

Io:负载电流,假定是22A

g:MOSFET的跨导,假定是100S

Vdrive:驱动电压,假定是4.5V

VT:阈值电压,假定是1.05V

代入公式可得:

t2是栅极电压从阈值电压上升到米勒平台的时间,这段时间MOSFET刚开始导通,电流ID逐渐上升,但Vds还没明显下降。

2.2.计算t3:米勒平台时间

公式如下:

Vin:输入电压,假定是15V

Rdrive:驱动电阻,假定是2Ω

Cgd:栅漏电容,假定是0.75 pF

Vdrive, VT, Io, g假定值同上:

代入公式:

t3是米勒平台阶段,栅极电压被"卡住",因为栅漏电容Cgd在充电,Vds 快速下降,电流ID已经接近满载,这段时间是交叉损耗的主要来源。

那么总交叉时间tcrossturnon计算如下:

代入公式:

假定开关频率是500KHz,那么:

0.64W的交叉损耗是在500kHz开关频率下的功耗,说明MOSFET每次开关都会产生微小损耗,频率越高,累积损耗越大。

Part 03 总结

1.驱动电阻越小,栅极充电越快,t2和t3都会缩短。比如把Rdrive从2Ω降到1Ω,Tg变成6.3ns,t2和t3都会减半,损耗也能降到0.32W左右。

2.选择Cgd小的MOSFET,缩短米勒平台时间。

3.如果能把频率从500kHz降到250 kHz,损耗直接减半到0.32W。但频率低了,可能会影响电路性能,比如增大电感和电容的体积。

4.0.64W损耗不算大,但如果MOSFET还有导通损耗(I × I × RDS(on))和其他损耗,整体发热可能需要散热片。

通过上面的实例可以发现,MOSFET的交叉损耗主要是导通过程中电压和电流重叠产生的,算下来是0.64W,主要由t2(栅极充电)和t3(米勒平台)决定。设计时可以降低驱动电阻、选Cgd小的MOSFET,或者降低开关频率来优化。

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