MOSFET开关损耗计算.pdf

《MOSFET开关损耗计算.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、高效能低电压PowerMOSFET及其参数与应用英飞凌公司林锦宏张家瑞前言近年来，产业的发展、有限的资源及日益严重的地球暖化现象，促使环保及节能的观念逐渐受到重视，造就各项新能源的开发、能源利用技术及新式组件或装置的发展，而能源政策的推广更使得能源概念的商机逐渐扩大。为了满足节能和降低系统功率损耗的需求，需要更高的能源转换效率，这些与时俱进的设计规范要求，对于电源转换器设计者会是日益严厉的挑战。为应对前述之规范需求，除使用各种新的转换器拓扑(topology)与电源转换技术来提高电源转换效率之外，新式功率器件在高效能转换器中所扮演的重要角色，亦不容忽视。其中，Powe

2、rMOSFET目前已广泛应用于各种电源转换器中。本文将简述PowerMOSFET的特性、参数与应用，除针对目前低电压PowerMOSFET的发展趋势做简单介绍外，还将简单比较新一代PowerMOSFET的性能。PowerMOSFET的参数与应用电源设计工程师在选用PowerMOSFET设计电源时，大多直接以PowerMOSFET的最大耐压、最大导通电流能力及导通电阻等三项参数做出初步决定。但实际上，在不同的应用电路中，PowerMOSFET的选用，有更细腻的考虑因素，以下将简单介绍PowerMOSFET的参数在应用上更值得注意的几项重点。1功率损耗及安全工作区域(Sa

3、feOperatingArea,SOA)对PowerMOSFET而言，其最大功率损耗是由温度及结-包装外壳间之热阻所决定的，即：(Tjmax−Tc21)P==I⋅R(T)totnomDSonjmaxRthjc由上式可知，若能够有效减少热阻，则PowerMOSFET所能承受之的最大功率损耗就可以获得提升。图1为PowerMOSFET的最大功率损耗与温度关系图。由图可知，若能有效减少热阻，就能使PowerMOSFET之最大功率损耗及最大工作电流获得提升。图1PowerMOSFET最大功率损耗对温度关系图图2为PowerMOSFET之安全工作区示意图，其安全区主要由四个条件

4、所决定：导通电阻RDSON、最大脉波电流IDpulse、最大功率损耗PD及最大耐压VBR。正常条件下，PowerMOSFET都必须能够在安全工作区域之内。最大脉波电流功率损耗Tj,max−TCP=DZthjc最大耐压VBR图2PowerMOSFET之安全工作区域图2传导与并联使用PowerMOSFET的传导(transconductance,gfs)为其工作在线性区(linearregion)时，VGS与ID间的小信号增益值，可以用下式表示之。gfs=ΔID/ΔVGS(2)PowerMOSFET在导通及截止的过程中工作在线性区，因此传导的大小与导通及截止的过程中，所能

5、流经PowerMOSFET的最大电流有关，亦即：ID=(VGS-Vth)·gfs(3)然而在中/高电流的应用电路中，在为了提升效率所采用之PowerMOSFET并联方法下，传导值就会直接影响到在导通及截止的过程中，流经各PowerMOSFET的电流均匀程度。一般而言，会采用具高传导值的PowerMOSFET，减少并联使用中PowerMOSFET的电流不均情况。图3传导gfs—PowerMOSFET之增益值3切换速度与闸极电荷(Qg)如图4所示，为PowerMOSFET在导通及截止过程中，驱动电路在不同时间区间内对极间电容CGS及CGD充电/放电时之VGS及相对应之各项

6、波形图。由图中可知，无论是在导通或截止的过程中，极间电容CGS及CGD在PowerMOSFET的切换速度上都扮演重要的角色。Qg用以表示PowerMOSFET在导通或截止的过程中，驱动电路所必须对极间电容充电/放电之总电荷量，如图5所示。在一般操作之下，PowerMOSFET切换的延迟时间可用一简单式表示之：td=Qg/iG(4)此外，驱动电路驱动PowerMOSFET导通及截止的过程中，对PowerMOSFET的极间电容进行充/放电的栅极电荷，事实上也是一种形式的损耗，只是其发生于驱动电路。若Qg值愈大，要达到高频率操作及高速切换，则需要具较高电流能力之驱动电路。P

7、owerMOSFET之驱动损耗可以下式表示之。PDRV=VDRV×QG×FSW(5)其中，VDRV为驱动电路之驱动电压。VGSVGSVTVTHIG-IGVVDSIDIDCGSCGCGS+CGDCGS+CGCG(a)(b)图4PowerMOSFET(a)导通(b)截止之极间电容充/放电示意图图5PowerMOSFET闸极电荷示意图4PowerMOSFET受温度影响的参数对PowerMOSFET而言，只要它完成一次导通/截止的动作，就会有些许的能量损耗在其中，造成组件本身的温升。然而，在PowerMOSFET中，有些参数会随着温度改变而所有改变，因此在使