MOSEFT分析:理解功率MOSFET的開關(guān)損耗
本文詳細(xì)分析計算開關(guān)損耗,并論述實際狀態(tài)下功率MOSFET的開通過程和自然零電壓關(guān)斷的過程,從而使電子工程師知道哪個參數(shù)起主導(dǎo)作用并更加深入理解MOSFET。
MOSFET開關(guān)損耗
1 開通過程中MOSFET開關(guān)損耗
功率MOSFET的柵極電荷特性如圖1所示。值得注意的是:下面的開通過程對應(yīng)著BUCK變換器上管的開通狀態(tài),對于下管是0電壓開通,因此開關(guān)損耗很小,可以忽略不計。
圖1 MOSFET開關(guān)過程中柵極電荷特性
開通過程中,從t0時刻起,柵源極間電容開始充電,柵電壓開始上升,柵極電壓為
其中:,VGS為PWM柵極驅(qū)動器的輸出電壓,Ron為PWM柵極驅(qū)動器內(nèi)部串聯(lián)導(dǎo)通電阻,Ciss為MOSFET輸入電容,Rg為MOSFET的柵極電阻。
VGS電壓從0增加到開啟閾值電壓VTH前,漏極沒有電流流過,時間t1為
VGS電壓從VTH增加到米勒平臺電壓VGP的時間t2為
VGS處于米勒平臺的時間t3為
t3也可以用下面公式計算:
注意到了米勒平臺后,漏極電流達(dá)到系統(tǒng)最大電流ID,就保持在電路決定的恒定最大值ID,漏極電壓開始下降,MOSFET固有的轉(zhuǎn)移特性使柵極電壓和漏極電流保持比例的關(guān)系,漏極電流恒定,因此柵極電壓也保持恒定,這樣?xùn)艠O電壓不變,柵源極間的電容不再流過電流,驅(qū)動的電流全部流過米勒電容。過了米勒平臺后,MOSFET完全導(dǎo)通,柵極電壓和漏極電流不再受轉(zhuǎn)移特性的約束,就繼續(xù)地增大,直到等于驅(qū)動電路的電源的電壓。
MOSFET開通損耗主要發(fā)生在t2和t3時間段。下面以一個具體的實例計算。輸入電壓12V,輸出電壓3.3V/6A,開關(guān)頻率350kHz,PWM柵極驅(qū)動器電壓為5V,導(dǎo)通電阻1.5Ω,關(guān)斷的下拉電阻為0.5Ω,所用的MOSFET為AO4468,具體參數(shù)為Ciss=955pF,Coss=145pF,Crss=112pF,Rg=0.5Ω;當(dāng)VGS=4.5V,Qg=9nC;當(dāng)VGS=10V,Qg=17nC,Qgd=4.7nC,Qgs=3.4nC;當(dāng)VGS=5V且ID=11.6A,跨導(dǎo)gFS=19S;當(dāng)VDS=VGS且ID=250μA,VTH=2V;當(dāng)VGS=4.5V且ID=10A,RDS(ON)=17.4mΩ。
開通時米勒平臺電壓VGP:
計算可以得到電感L=4.7μH.,滿載時電感的峰峰電流為1.454A,電感的谷點電流為5.273A,峰值電流為6.727A,所以,開通時米勒平臺電壓VGP=2+5.273/19=2.278V,可以計算得到:
評論