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怎么降低MOSFET損耗
  • 發(fā)布時(shí)間:2023-05-22 15:48:33
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怎么降低MOSFET損耗
降低MOSFET損耗
功率MOSFET應(yīng)用中,功率損耗將導(dǎo)致熱產(chǎn)生,主要由通態(tài)損耗、開關(guān)損耗組成,這也是工程師在應(yīng)用中主要針對(duì)優(yōu)化的地方。功率損耗的降低,可以從硬件、軟件兩個(gè)層面著手。本文先聊聊硬件層面的降損耗方案。
以下組成損耗的8個(gè)部分∶
1、導(dǎo)通功率損耗;
2、截止功率損耗;
3、開啟過程功率損耗;
4、關(guān)斷過程功率損耗;
5、驅(qū)動(dòng)功率損耗;
6、Coss電容泄放損耗;
7、寄生二極管正向?qū)〒p耗
8、寄生二極管反向恢復(fù)損耗
針對(duì)前文提到的8個(gè)損耗組成部分,逐一探討硬件層面降低損耗的可行性。
1、導(dǎo)通功率損耗
導(dǎo)通功率損耗主要來源于功率電流在通態(tài)電阻Rds((on)上產(chǎn)生的熱。
從公式來看,漏極電流IDS和溫度系數(shù)K不變的前提下,降低通態(tài)損耗的方式/只有降低通態(tài)電阻Rds(on)和減小占空比。
電機(jī)控制中,占空比改變影響轉(zhuǎn)矩輸出,這涉及控制性能,需要綜合考量,這里關(guān)注通態(tài)電阻的減小。
功率MOSFET的損耗文章會(huì)提到,通態(tài)電阻Rds(on)受溫度和載流子濃度影響。
可以從兩方面來降低通態(tài)電阻∶
A、優(yōu)化器件本身的設(shè)計(jì)及工藝;
B、優(yōu)化外部散熱。
相比于VDMOS,Trench MOSFET擁有更低的導(dǎo)通電阻、更大的導(dǎo)通電流和更快的開關(guān)速度,在中低壓領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。
導(dǎo)通電阻與芯片面積成反比,但增加芯片面積降低導(dǎo)阻,成本的提升往往是商業(yè)類產(chǎn)品不能允許的;而引入少數(shù)載流子導(dǎo)電,可以降低導(dǎo)通壓降,但開關(guān)速度將受影響且出現(xiàn)拖尾電流、開關(guān)損耗增加。
所以針對(duì)Rds(on)的優(yōu)化,建議一般從如下兩個(gè)方面優(yōu)化∶在設(shè)計(jì)選型階段,綜合考量的情況下,盡量選擇小的Rds(on)的MOSFET;注重散熱器的設(shè)計(jì),完全導(dǎo)通狀態(tài)下,Rds(on)為正溫度系數(shù)。
2、截止功率損耗
截止損耗來源于漏電流IDSS造成的損耗,先了解漏電流如何產(chǎn)生。根據(jù)PN結(jié)的伏安特性曲線,當(dāng)加反向電壓時(shí),在第三象限,有一段不隨電壓變化的電流段(溫度不變的情況下),該段即為PN結(jié)的反向飽和電流。
根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu),漏源之間是兩個(gè)PN結(jié),那么就不可避免出現(xiàn)反向飽和電流的情況,也就產(chǎn)生所說的漏電流。
從上文PN結(jié)的伏安特性曲線可知,在一定范圍內(nèi),飽和漏電流的大小與電壓無關(guān),與溫度相關(guān)。所以針對(duì)截止功率損耗,可以在MOS選型階段,關(guān)注反向飽和漏電流這一指標(biāo)。
另一方面,溫度對(duì)其影響較大,所以保證系統(tǒng)在停機(jī)截止?fàn)顟B(tài)時(shí),熱量能夠散出,就幾乎能夠忽略該損耗了。
3、開啟過程功率損耗
開啟過程損耗是由于MOSFET開啟過程中逐漸下降的漏源電壓VDS與逐漸上升的漏源電流IDS交叉重疊部分造成的能量損耗。
從波形來尋找降低損耗的方法,即減小交匯處的面積Poff-on!
應(yīng)用中可以通過如下方式優(yōu)化∶
1)調(diào)節(jié)開通速度
提到開通損耗降低,開啟速度往往會(huì)成為大家首先調(diào)節(jié)的對(duì)象。降低門極驅(qū)動(dòng)電阻,減小門極電容是最直接有效的方式。另一方面,保證驅(qū)動(dòng)電壓在額定范圍內(nèi),越高開通速度越快。
需要注意的是過快的開通,會(huì)導(dǎo)致電流的快速上升,由于雜散電感的存在,會(huì)產(chǎn)生較高的電壓尖峰,從而損壞器件,所以需要綜合考量開通速度。
2)軟開啟電路
軟開啟電路主要是錯(cuò)開電壓和電流峰值交匯,讓電流升高到較高值之前,電壓值已經(jīng)/快要降低到0V了,通過適配電路,實(shí)現(xiàn)ZVS a(零電壓開通)、ZCS(零電流開通)
針對(duì)開通階段的ZVS與ZCS,需要關(guān)注以下問題∶
零電流開通∶
零電流開通主要是利用DCM模式下,電感電流不能突變,從而實(shí)現(xiàn)MOS開通時(shí)漏極電感電流為零。但是零電流開通不能消除漏極電荷損耗。在CCM模式下,零電流開通必須要通過輔助開關(guān)來實(shí)現(xiàn)(至少兩個(gè)開關(guān)協(xié)同工作)。
零電壓開通∶
零電壓開通主要通過輔助電路將Cds+Cgd上的電荷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移走,從而消除開通損耗和"漏極電荷損耗。
LLC諧振∶
LLC諧振軟開關(guān)是傳統(tǒng)軟開關(guān)的最佳實(shí)踐,通過幾個(gè)開關(guān)之間的協(xié)作,以及增加輔助電感和電容,達(dá)到MOS的零電壓開關(guān),從而基本消除了了開關(guān)損耗和漏極電荷損耗。
但是不可避免的,為實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷需要在漏源之間并聯(lián)很大的電容來吸收關(guān)斷電流,從而在/大電流應(yīng)用中導(dǎo)致巨大的能量在輔助電感和輔助電容組成的網(wǎng)絡(luò)中震蕩。
由于電源滿載與/輕載時(shí)漏極存儲(chǔ)的電荷量不同,所以為了滿足固定的諧振頻率,PWM控生器必須變頻工作。
4、關(guān)斷過程功率損耗
關(guān)斷過程損耗是由于MOSFET關(guān)斷過程中逐漸下降的漏源電流IDS與逐漸上升的漏源電壓VDS 交叉重疊部分造成的能量損耗。
從波形來尋找降低關(guān)斷損耗的方法,也是減小交匯處的面積PoN oFF!且波形類似,所以優(yōu)化方式也相同,即∶
1)調(diào)節(jié)關(guān)斷速度
2)軟關(guān)斷電路
關(guān)斷速度的調(diào)節(jié)同開通速度的調(diào)節(jié)一樣,主要從門極的驅(qū)動(dòng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電源等方面優(yōu)化。而針對(duì)關(guān)斷階段的ZVS與ZCS,需要關(guān)注以下問題∶
零電壓關(guān)斷
零電壓關(guān)斷主要是利用電容電壓不能突變的特性,將MOS管上的電流轉(zhuǎn)移到Cds中去,從而保證MOS電流為零時(shí)Vds仍然保持一個(gè)比較低的值,降低關(guān)斷損耗。
但是這帶來一個(gè)問題,在大電流情況下為鉗位Vds必須保證Cds足夠大,而過大的Cds實(shí)際上是將關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移。到漏極電荷損耗中。
零電流關(guān)斷∶
通常MOS的零電流關(guān)斷不容易很直觀的實(shí)現(xiàn),除非事先將MOS上的電流轉(zhuǎn)移到其他的地方(通常需要輔助開關(guān)協(xié)同實(shí)現(xiàn))。事實(shí)上,零電壓關(guān)斷最終也會(huì)達(dá)成零電流關(guān)斷(相當(dāng)于MOS上的電流被轉(zhuǎn)移到Cds中了)
如果使用了輔助開關(guān),則需要注意MOSFET的誤導(dǎo)通問題。
5、驅(qū)動(dòng)功率損耗
如右圖所示,為常見的驅(qū)動(dòng)回路電路。驅(qū)動(dòng)損耗,指柵極接受驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)造成的損耗。
驅(qū)動(dòng)方式不一致,驅(qū)動(dòng)效率則會(huì)存在差/異,同樣的驅(qū)動(dòng)輸出功率條件下,造成的損耗。也會(huì)不同。如下的計(jì)算公式則得出了同一器件應(yīng)用時(shí),驅(qū)動(dòng)功率損耗的最大值∶
PGS= VGSQgfs
根據(jù)公式尋找降低其損耗方式,需要在設(shè)計(jì)階段,關(guān)注三個(gè)變量∶
1)器件的Qg值;
2)驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定;
3)工作頻率。
需要注意,不能為降低損耗,選擇較小的參數(shù),否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)其他性能產(chǎn)生影響。比如驅(qū)動(dòng)電壓VGS這一參數(shù),數(shù)值偏小,只要高于閾值電壓,器件仍能導(dǎo)通,但是卻可能使器件工作于半導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)通態(tài)損耗會(huì)很大,影響系統(tǒng)性能。若選型’時(shí),選擇Qg較小的器件,則會(huì)導(dǎo)致器件更容易達(dá)到開啟條件,誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)增加。
一般來說驅(qū)動(dòng)損耗不會(huì)太大,設(shè)計(jì)時(shí)不用刻意減小它而影響其他性能,如果一定需要優(yōu)化,最好/的思路是提升驅(qū)動(dòng)效率。因?yàn)閳D騰柱驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)、變壓器隔離驅(qū)動(dòng)效率是不同的,因而驅(qū)動(dòng)損耗(即驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱)是不同的。不同的驅(qū)動(dòng)IC、不同的設(shè)計(jì)水平是不同的,也會(huì)針對(duì)該損耗有優(yōu)化的可能。
6、Coss電容泄放損耗
指輸出電容Coss在MOSFET截止期間存儲(chǔ)的電場(chǎng)能,在MOSFET導(dǎo)通期間,在漏源極上的泄放損耗。
實(shí)際過程中,由于Coss影響,大部分電流從MOSFET中流過,流過Coss的非常小,甚至可以忽略不計(jì),因此Coss的充電速度非常慢,電流VDS上升的速率也非常慢。即∶
因?yàn)镃oss的存在,在關(guān)斷的過程中,由于電容電壓不能突變,因此VDS的電壓一直維持在較低的電壓,功率損耗很小。
因?yàn)镃oss的存在,在開啟的過程中,電容電壓不能突變,因此VDS的電壓一直維持在較高的電壓,實(shí)際的功率損耗很大。
Coss泄放損耗計(jì)算公式為∶
PDS=1/2VDS2Cossfs
Coss放電產(chǎn)生的損耗主要在開通階段,和容值、頻率成正比,和電壓的平方成正比。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中,Coss對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的功耗就是Eoss。
應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向主要還是從Coss電容入手。其由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd組成,但一般很難優(yōu)化Cgd,因?yàn)槠渫谀K或單管成型時(shí)就已經(jīng)成定直了,且還與Cgs構(gòu)成Ciss輸入電容,對(duì)其改變會(huì)影響米勒平臺(tái)的情況。
所以主要是針對(duì)Cds做優(yōu)化,根據(jù)實(shí)際測(cè)試效果,選擇并聯(lián)合適的Cds電容,既不能為了吸收尖峰而并聯(lián)過大的Cds,因?yàn)槠浯鎯?chǔ)的能量在開通階段會(huì)大/量釋放,導(dǎo)致?lián)p耗增加,甚至導(dǎo)致諧振,影響正常的性能。也不能為了減小損/想耗,而過于減小電容,否則電壓尖峰將會(huì)很頭疼。需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境找到最A(yù)優(yōu)值。
7、寄生二極管正向?qū)〒p耗
寄生二極管正向?qū)〒p耗不可忽視,特別是在大電流應(yīng)用環(huán)境中,該損耗必須嚴(yán)格把控。
此處損耗主要發(fā)生在功率器件續(xù)流期間。
計(jì)算公式如下∶
Pd_f=IF"VDFt3*fs
IF為二極管正向電流,VDF為二極管正向?qū)▔航?,t3為二極管正向續(xù)流時(shí)間。
從應(yīng)用層面考慮,主要從VDF優(yōu)化該損耗,在設(shè)計(jì)選型階段,選擇VDF低的器件。
另外可以外部搭建電路,即不使用模塊寄生二極管續(xù)流,外部加電路,使用外部二極管續(xù)流,使續(xù)流階段產(chǎn)生的損耗不疊加到功率器件上,從而提升器件的使用性能。
由于D2的存在,將會(huì)使導(dǎo)通損耗增加,雖然增加的損耗也并未疊加到MOSFET上,但整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)因此降低,且D1、D2的選型及散熱處理會(huì)比較費(fèi)腦筋,只推薦在部分應(yīng)用場(chǎng)景中使用該電路。
8、寄生二極管反向恢復(fù)損耗ve
反向恢復(fù)就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷耗盡,恢復(fù)成截止?fàn)顟B(tài)的過程。完成該過程需要的能量便是損耗的構(gòu)成。
右圖所示為反向恢復(fù)階段電流的功率器件內(nèi)電流的方向,Irss即為反向恢復(fù)電流,此階段流過下橋的電流為電感電流與上橋反向恢復(fù)電流之和。表現(xiàn)到下橋的電流波形,則是會(huì)在下橋開啟處,出現(xiàn)一個(gè)電流尖峰。其大小受開啟速度影響。此處主要優(yōu)化的是Irss變?yōu)?之前其造成的損耗。
反向恢復(fù)過程有一個(gè)參數(shù)尤為關(guān)鍵∶trr(反向恢復(fù)時(shí)間)。其影響功率MOSFET的安全工作區(qū)。
反向恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng),將導(dǎo)致反向恢復(fù)損耗增大,更為嚴(yán)重的影響是影響工作頻率,因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng),導(dǎo)致預(yù)留的死區(qū)必須更大,才能保證安全。
反向恢復(fù)時(shí)間過短,則額定電流下,di/dt會(huì)變得很大,由于雜感存在,會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)階段產(chǎn)生很高的尖峰,從而損壞器件。
針對(duì)反向恢復(fù)階段的損耗, 可以從以下三個(gè)方面來優(yōu)化∶
1)控制合適的開關(guān)速度來控制反向恢復(fù)時(shí)間以降低損耗及使器件工作在安全區(qū)域;2)同時(shí)優(yōu)化布線,減少雜感,可以對(duì)損耗降低起很大的作用。
)當(dāng)前面兩種辦法優(yōu)化后,還需要優(yōu)化的時(shí)候, 建議選擇恢復(fù)特性較軟的MOSFET。
總結(jié)
要給功率MOSFET降溫,減少其損耗,經(jīng)過前文探討,硬件降溫主要分為應(yīng)用層面和MOSFET產(chǎn)品兩個(gè)層面去優(yōu)化∶
1、MOSFET產(chǎn)品層面∶
1)降低Rds(on);
2)優(yōu)化寄生電容Cgd;
3)優(yōu)化寄生二極管導(dǎo)通壓降
4)優(yōu)化寄生二極管反向恢復(fù)軟度;
5)優(yōu)化MOSFET產(chǎn)品內(nèi)部雜散電感。
2、應(yīng)用層面∶
1)優(yōu)化開關(guān)速度;2)提升驅(qū)動(dòng)效率3)優(yōu)化Cds吸收電容參數(shù);
4)優(yōu)化布局走線,減小外部雜散電感;
5)注重散熱設(shè)計(jì),防止受溫度影響大的參數(shù)改變,導(dǎo)致?lián)p耗增加;
6)一些特殊使用場(chǎng)合,為保護(hù)器件,可以使用特殊電路來轉(zhuǎn)移損耗。如ZVS/ZCS電路、外部二極管續(xù)流電路等。
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