在大功率電源當(dāng)中MOS器件耗散的兩種方式
對于除最大負(fù)載外的所有負(fù)載,在開、關(guān)過程中,同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過捕獲二極管箝制。因此,同步整流器沒有引致開關(guān)損耗,使其功率耗散易于計算。需要考慮只是電阻耗散。
最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負(fù)載系數(shù)最大的情況下,即在輸入電壓為最大值時。通過使用同步整流器的RDS(ON)HOT和負(fù)載系數(shù)以及歐姆定律,就可以計算出功率耗散的近似值:
PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×[1>-<VOUT/VIN(MAX>)]
開關(guān)MOSFET的耗散
開關(guān)MOSFET電阻損耗的計算與同步整流器的計算相仿,采用其(不同的)負(fù)載系數(shù)和RDS(ON)HOT:PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)
由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍、對開關(guān)產(chǎn)生影響的因素,開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計算較為困難。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評估一個MOSFET的第一步,并在以后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對其性能進(jìn)行驗(yàn)證:PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE。
其中CRSS為MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容(一個性能參數(shù)),fSW為開關(guān)頻率,而IGATE為MOSFET的啟動閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET柵極驅(qū)動的吸收電流和的源極電流。
一旦根據(jù)成本(MOSFET的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能)將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET,那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關(guān)損耗的型號。若采用更小(更快)的器件,則電阻損耗的增加幅度大于開關(guān)損耗的減小幅度。
而采用更大[RDS(ON)低]的器件中,則開關(guān)損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度。如果VIN是變化的,必須同時計算在VIN(MAX)和VIN(MIN)處的開關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個函數(shù)的和:在VIN(MIN)(較高的負(fù)載系數(shù))處達(dá)到最大的電阻耗散,和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達(dá)到最大的開關(guān)耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散,它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開關(guān)耗散。
如果在VIN(MIN)處的耗散明顯較高,電阻損耗為主。在這種情況下,可以考慮采用較大的開關(guān)MOSFET,或并聯(lián)多個以達(dá)到較低的RDS(ON)值。但如果在VIN(MAX)處的耗散明顯較高,則可以考慮減小開關(guān)MOSFET的尺寸(如果采用多個器件,或者可以去掉MOSFET)以使其可以更快地開關(guān)。
如果所述電阻和開關(guān)損耗平衡但還是太高,有幾個處理方式:
改變題目設(shè)定。例如,重新設(shè)定輸入電壓范圍;改變開關(guān)頻率,可以降低開關(guān)損耗,且可能使更大、更低的RDS(ON)值的開關(guān)MOSFET成為可能;增大柵極驅(qū)動電流,降低開關(guān)損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動電流的內(nèi)部柵極電阻,實(shí)際上局限了這一方案;采用可以更快同時開關(guān)并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進(jìn)的MOSFET技術(shù)。
由于元器件選擇數(shù)量范圍所限,超出某一特定點(diǎn)對MOSFET尺寸進(jìn)行精確調(diào)整也許不太可能,其底線在于MOSFET在最壞情況下的功率必須得以耗散。
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