如何计算MOSFET实际应用中的损耗

功率半导体自20世纪50年代开始发展起来，至今形成以二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等为代表的多世代产品体系。新技术、新产品的诞生拓宽了原有产品和技术的应用范围，适应更多终端产品的需求，MOSFET同样衍生出GaN，SiC新型材料的产品去覆盖更高功率密度、更高电压、以及高开关速度的应用场景。MOSFET呈现多世代并存的特点。本文基于规格书的参数去计算MOSFET实际应用中的损耗，帮助工程师做设计选型参考。

通常在开关模式下运行的MOSFET的功率损耗 (Pt) 可分为三种：

1. 导通损耗 (Pc)

2. 开关损耗 (Psw)

3. 泄漏损失 (Pb)，通常被忽略

因此，在开关模式运行MOSFET损耗：

导通损耗Pc

1. 导通损耗Pc和体内二极管损耗Pcd计算

功率MOSFET中的损耗可以用漏极-源极导通电阻 (RDSon) 的MOSFET近似值计算：

UDS和ID分别是漏源电压和漏电流

典型RDSon可从数据手册图中读取，如图1所示，其中ID为MOSFET导通状态电流

图1 漏源电阻与漏电流的函数关系(TJ = 25°C时)

因此通过开关周期内瞬时功率损耗的积分可以给出MOSFET传

其中，IDrms为MOSFET导通状态电流的有效值

2. 二极管导通损耗

反并联二极管的传导损耗可以使用二极管近似来估算，近似具有代表二极管导通状态零电流电压的DC电压源(uD0)和二极管导通状态电阻(RD)的串联连接，uD是二极管两端的电压，如果通过二极管的电流：

这些参数可以从图2所示的MOSFET数据手册的图表中读取。为了考虑参数变化，从而进行保守计算，从图表中读取的UD0值必须用(UDmax/UDtyp)进行缩放。这些精确值可以从数据表中读取，在实际计算时，也可以使用典型的安全裕度值(10%-20%)。

如果平均二极管电流为IFav，均方根二极管电流为IFrms，则开关周期内的平均二极管导通损耗(Tsw=1/fsw)为：

图2 二极管电阻与二极管电流的关系

3. RDSon - 考虑温度变化

图1所示的RDSon指的是典型值，RDSon max (25°C) 为25°C时RDSon的最大值一般是在25°C温度下获得的，但RDSon取值需要考虑温度变化。

图3 从数据手册中读取RDSon max (25°C)

图4 从数据手册中读取TJ/RDSon

开关损耗Psw

用于检查MOSFET开关损耗的电路如图5所示。它是一个单象限斩波器，为感性负载供电。MOSFET由驱动器电路驱动，在其输出端提供电压UDr。MOSFET内部二极管用作续流二极管。在大多数应用中，整个拓扑由一个或多个基于MOSFET的半桥组成。如三相交流电机驱动、DC电机驱动、同步DC/DC转换器等。如果使用外部续流二极管，可以取自二极管数据手册，计算仍然有效。

图5 带感性负载的MOSFET斩波器

对于功率损耗的计算，MOSFET开关过程的线性近似就足够了，如后所述，这是最差情况的计算。功率MOSFET的理想开关过程如图6所示。最上面的部分(A)表示栅极电压(uGS)和电流(iG)；下一个(B)显示漏源电压(uDS)和漏电流(iD)，未考虑续流二极管的反向恢复。C部分给出了功率损耗的定性概述，而D部分显示了反向恢复对开关损耗的影响。

1. 开通瞬态

驱动器电路将其状态从0V变为UDr，栅极电压上升至阈值电压(UGS(th))，时间常数由栅极电阻和等效MOSFET输入电容定义(Ciss=CGD+CGS)。在栅极电压达到UGS(th)之前，输出不会改变。

达到UGS(th)后，漏极电流上升并接管负载电流。零与IDon(由应用定义)之间的电流上升时间(tri)的最差情况值可以从MOSFET数据手册中读取，如图7所示。在电流上升期间，续流二极管仍然导通，漏源电压为UDD。

为了使二极管关断，必须移除在其中的所有少数载流子（见图6）。这种反向恢复电流必须被MOSFET吸收，导致额外的功率损耗。功率损耗计算中使用的反向恢复电荷(Qrr)和持续时间(trr)的最差情况值可以从MOSFET数据手册中读取（见图8）。

图6 功率MOSFET的开关瞬态

图7 从数据手册中读取电流上升时间(红色)和下降时间(蓝色)

图8 从数据手册中读取反向恢复时间(红色)和电荷(蓝色)

二极管关断后，漏源电压从uDS=UDD下降到其导通状态值uDS=RDSon*Ion。发生米勒效应，栅极-源极电压被箝位在uGS=U(平台)(见图9)。漏极-源极电压的斜率由流经栅极-漏极电容的栅极电流决定(CGD=Crss)。为了以合理的精度计算电压下降时间(tfu)，必须考虑栅极-漏极电容的非线性。图10示出了栅极-漏极电容对漏极-源极电压的典型依赖关系。这种非线性不容易结合到计算中。这就是使用两点近似的原因。假设如果漏极-源极电压在uDS [UDD/2，UDD范围内，则栅极-漏极电容的值为CGD1= CGD(UDD)。另一方面，如果漏极-源极电压在uDS [0V, UDD/2范围内，则栅极-漏极电容值为CGD2= CGD(RDSon*Ion)。确定这些电容的方法如图10所示。在图6B中用虚线示出了下降时间期间的漏极-源极电压，考虑两点近似。这种近似仅用于确定电压下降时间(以及关断期间的上升时间)，并且假设漏极-源极电压具有线性形式(图6B中的实线)，因此很明显这种分析呈现了开关损耗计算的最坏情况。

tfu期间的栅极电流可计算如下:

可以将电压下降时间计算为通过栅极电流和电容CGD1和CGD2定义的下降时间的中值。

其中：

图9 从数据手册中读取平台电压

 

 

图10 栅漏电容的两点表示

2. 关断瞬态

关断过程对应于相反顺序的MOSFET的接通过程，将不详细讨论。

两个重要的区别是：

无反向恢复

栅极电流和电压上升时间可以表示为：                  

3. 开关能量和损耗

根据前面的考虑，功率MOSFET中最差情况下的导通能量损耗(EonM)可以计算为的导通能量(EonMi)和续流二极管反向恢复引起的导通能量(EonMrr)之和：

反向恢复电流的峰值可计算如下：

二极管中的导通能量主要由反向恢复能量(EonD)组成：

其中，UDrr是反向恢复期间二极管两端的电压。对于最差情况的计算，该电压可以近似为电源电压(UDrr= UDD)。

MOSFET的关断能量损耗可以用类似方式计算。二极管的关断损耗通常被忽略(EoffD=0)，因此：

MOSFET和二极管的开关损耗是开关能量和开关频率(fsw)的乘积：

4. 损失平衡

MOSFET和续流二极管的功率损耗可以表示为导通损耗和开关损耗之和，即：

编辑：黄飞