MOS-半桥的功耗

之前在跟同事罗帅讨论驱动器的热损耗，学习了一下，找的一篇TI的文章对半桥的功耗计算。

摘要：

在为电机应用或具有电感特性的负载选择集成 H 桥或半桥驱动器时，必须考虑由于负载电流和输出的 PWM 开关以进行电流调节而导致的驱动器功耗。器件上消耗的功率会使器件的结温超过环境温度，具体取决于热阻抗。热阻取决于 IC 的特性（封装、芯片尺寸等）和 PCB 设计，这通常是给定驱动器提供多少电流的限制因素。要计算给定应用中的最大允许电流，需要估算电机驱动器的总功耗。本应用报告展示了如何估算功率 FET 和整个器件本身在每种情况下的功耗。

1 集成驱动器中的功耗来源

驱动器 IC 中的功率 FET 有两个基本的功耗来源。

1.1 导通损耗

每个 FET 的导通损耗由于其导通电阻而产生的功耗由下式给出：

RON=FET 导通电阻[ohm]

IL= 负载电流[A]

请注意，RON随温度升高而增加。因此，随着设备升温，功耗也会增加。在计算总器件功耗时必须考虑这一点。通常，RON 在 150 摄氏度时的值大约是 25 摄氏度时的室温值的两倍。

1.2 开关损耗

与基于 PWM 的电流调节相关的开关损耗导致的功耗可以用以下表达式来近似：

上升沿和下降沿期间由于输出压摆引起的功耗由下式给出：

FPWM= PWM 开关频率 [Hz]

VM= 驱动器电源电压 [V]

IL= 负载电流 [A]

SRrise= 上升期间的输出电压转换率 [V/sec]

SRfall= 下降期间的输出电压转换率 [V/sec]

输出压摆率是 EM（电磁）性能和器件功耗之间的平衡。

由于开关 FET 之间的死区时间导致的功耗由下式给出：

FPWM= PWM 开关频率 [Hz]

VD= FET 体二极管正向偏置电压 [V]

IL= 负载电流 [A]

= 上升过程中的死区时间 [sec]

= 下降过程中的死区时间 [sec]

死区时间对于降低开关功率 FET 之间的任何电流直通风险是必要的。集成 FET 驱动器通常具有基于反馈的自定时 FET 开关序列，以确保尽可能小的死区时间，同时避免任何击穿电流。

在再循环路径中 FET 导通期间由于 OUTPUT 摆动导致的功耗由下式给出：

这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道

由于开关 FET 的反向恢复损耗也会产生功率耗散。这是由于典型大功率 FET (< ~100 mΩ) 的正向偏置体二极管的电流方向发生变化而发生的。这些损耗通常会限制较高压摆率（> 25 V/μsec）下的功耗节省。这种耗散通常也不被考虑，因为它非常微不足道。

1.3 器件电流消耗

器件电流消耗引起的功耗，由下式给出

VM= 驱动器电源电压 [V]

IVM= 设备工作电源电流 [A]

考虑到IVM通常约为 5 - 10 mA，这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道。

1.4 稳压器ldo消耗

一些驱动器设备具有可用的外部 LDO 稳压器输出，用于提供一些参考电流或为外部负载供电的电流。由于该外部负载电流而产生的功耗由下式给出

这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道。

总结

总之，总功耗由下式给出：

通常，这可以近似为三个来源，由下式给出：

下一小节根据应用配置（使用高侧或低侧再循环的 H 桥或半桥驱动器）显示每个功率 FET 中用于传导和开关损耗的功率耗散。

半桥

低侧循环的半桥

图 1-4 显示了 PWM 调节中半桥在 HS - 负载（区域 #1）和 LS - 负载（区域 #5）与其他转换（上升沿和区域 # 的区域 #2、3 和 4）之间的开关序列 6、7 和 8 用于下降沿）。每个 FET 的功耗如下：

表格中：

RON=FET 导通电阻[ohm]

FPWM= PWM 开关频率 [Hz]

VM= 驱动器电源电压 [V]

IL= 负载电流[A]

D = PWM 占空比介于 0 和 1 之间

= HS关闭时上升期间的输出电压转换速率 [V/sec]

= HS 开启时下降期间的输出电压转换速率 [V/sec]

VD= FET 体二极管正向偏置电压 [V]

= HS 关闭后的死区时间 [秒]

= HS 开启前的死区时间 [秒]

= LS 开启时上升期间的输出电压转换率 [V/sec]

= LS 关闭时下降期间的输出电压转换率 [V/sec]

如果我们假设 #4 和 #6 区域的功耗可以忽略不计，上升沿和下降沿的压摆率匹配，死区时间相等，则每个 FET 的功耗可以近似如下：

与 H 桥驱动器相比，由于传导损耗导致的功耗大约减少了一半，但开关损耗保持不变。

高端侧循环的半桥也是一样的

示例计算

RON= 100mΩ

FPWM= 20 KHz

VM= 13.5 V

IL= 1A

D= 50%

= 13.5 V/us

= 13.5 V/us

VD= 1V

= 100ns

= 100ns

= 13.5 V/us

= 13.5 V/us

 

部分	PWM 周期内的时间比	低端	高端
1	50%	0
2	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0	0.5 x 13.5V x 1A
3	100ns x 20kHz	1V x 1A	0
4	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0.5 x 1V x 1A	0
5	(1-50%)		0
6	1V / 13.5V/us x 20KHz	0.5 x 1V x 1A	0
7	100ns x 20kHz	1V x 1A	0
8	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0	0.5 x 13.5V x 1A

简单的总结，主要的两部分损耗还是在导通损耗和开关损耗上。

影响导通损耗的主要是导通的电阻,可以选择导通电阻小一些的mos，减少发热。

影响开关损耗的主要是电压上升的速度，所以我们更希望，开通关断的更快一些。因为在这个时间里，损耗是I*U。

审核编辑：汤梓红