为了方便理解MOSFET的开关过程及其损耗,以Buck变换器为研究对象进行说明(注:仅限于对MOSFET及其驱动进行分析,不涉及二极管反向恢复等损耗。)
图1所示为Buck变换器拓扑,其中用于减小主功率电路的AC Loop,实际使用视Layout情况决定是否需要添加。
图2所示为MOSFET的开关时序及相应,,和波形,其中:
:下降之前MOSFET开始导通所需的电荷量。
:下降之前MOSFET的栅极电压从阈值电压升到Miller平台电压所需的电荷量。
:开始下降阶段为MOSFET反馈电容充电所需电荷量。
:从到达阈值电压开始直到Miller平台结束时栅极电容中的电荷量。
输入电容:=+(=0);
输出电容:=+(=0);
反馈电容(反向传输电容):=。
和主要由栅极结构决定,由垂直PN结的电容决定。
图3所示为MOSFET驱动电路的等效框图,在每个开关周期中,所需的栅极电荷均会通过驱动器输出阻抗(和)、外部栅极电阻以及MOSFET内部栅极网状电阻。栅极电阻功率损耗与通过电阻传输电荷速度的快慢无关。
主要结合图2和图3将MOSFET开通和关断过程各分为4个阶段进行分析并计算相关损耗。
1.开通阶段。
第①阶段:0~。此阶段电平从0开始上升至阈值电压,栅极电流主要给MOSFET的充电,极少部分流经。此过程中和维持上个状态(=,=0)不变,故可称为为开通延时。
第②阶段:~。时,MOSFET开始通流。持续流入和中,电压逐渐升高直至时刻达到Miller平台电压。与之伴随的是也逐渐增大至最高,但依旧为高电平。因为与成正相关,所以此阶段为MOSFET的线性区。
将第②阶段中、和波形进行线性近似,则栅极驱动电流和所需时间=-分别为:
与此对应的开通所耗能量为:
第③阶段:~。此阶段为Miller平台的维持时间段,栅极电荷持续被充电使得电压稳定保持在,因此其具有足够的能量使MOSFET承载完整的通态电流。在此阶段大量的被转移给充电,使快速下降。栅极驱动电流和所需时间=-分别为:
与此对应的开通所耗能量为:
以上可得整个开关周期的开关损耗约为: 注:MOSFET的开通或关断需要对进行充电或放电,当电容上的电压发生变化时,与之反映的是电荷数量的转移,栅极电压和所需电荷数量的关系一般可由datasheet中的栅极电荷与栅源电压曲线获得。栅极电荷是栅极驱动电压的函数,最高电压会影响Miller平台电荷,从而影响整个开关周期内所需的总栅极电荷。
第④阶段:~。此阶段中栅极电流通过对和充电(两者分流),使得从Miller平台电压逐渐上升至最终驱动电压,其最终电平决定了开通期间的最终导通电阻。此阶段依然保持恒定,但是由于的下降,略有降低(=*)。与驱动电压和温度关系如图4所示。
可得开通阶段的驱动器损耗为: Buck变换器的MOSFET电流有效值为:
则通态损耗为:
2.关断阶段。
第①阶段:~。电容放电,使得电平从驱动电压降至Miller平台电压。此阶段栅极电流由自身提供,而非驱动器提供。流经和回到驱动器。随着驱动电压降低,增大,略有上升,保持不变。
第②阶段:~。此阶段与Miller平台阶段所对应,栅极电流为的充电电流,因此是保持恒定的。栅极电流由功率级旁路电容提供,并从中减去,总仍然等于负载电流。从*上升到最大电压。
第③阶段:~。栅极电压继续从Miller平台电压下降到阈值电压,绝大部分栅极电流来自于,因为在前一个阶段就被反向充满电了。此阶段结束时,MOSFET又处在线性区,下降导致减小接近于0。
第④阶段:~。此阶段对完全放电,进一步下降直至为0。与前一阶段类似,栅极电流的大部分电流由提供。MOSFET的和保持不变。
可得关断阶段的驱动器损耗为: 以上可得整个开关周期的驱动器损耗约为:
需要强调的是,栅极驱动器的最重要特性在于处在Miller平台区时的拉电流及灌电流能力。
此外,MOSFET的输出电容损耗为:
至此,MOSFET在整个开关周期内相关损耗为:
参考资料:
[1] TI - MOSFET Power Losses and How They Affect Power-Supply Efficiency.
[2] TI - Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits.文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-705262.html
[3] Infineon - IPW60R018CFD7 datasheet.文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-705262.html
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