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功率MOSFET的開關損耗:開通損耗

前面的文章講述過基于功率MOSFET的漏極特性理解其開關過程,也討論過開關電源的PWM及控制芯片內(nèi)部的圖騰驅(qū)動器的特性和柵極電荷的特性,基于上面的這些理論知識,就可以估算功率MOSFET在開關過程中的開關損耗。開關損耗內(nèi)容將分成二次分別講述開通過程和開通損耗,以及關斷過程和和關斷損耗。

功率MOSFET及驅(qū)動的等效電路圖如圖1所示,RG1為功率MOSFET外部串聯(lián)的柵極電阻,RG2為功率MOSFET內(nèi)部的柵極電阻,RG=RUp+RG1+RG2為G極串聯(lián)的總驅(qū)動電阻。

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圖1:功率MOSFET驅(qū)動等效電路

實際的應用中功率MOSFET所接的負載大多為感性負載,感性負載等效為電流源,因此功率MOSFET的開關過程基于電流源來討論。當驅(qū)動信號加在功率MOSFET的柵極時,開通過程分為4個模式(階段),其等效電路如圖2所示。

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圖2:功率MOSFET開通過程

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圖3:功率MOSFET開通波形

(1) 模式M1:t0-t1

起始狀態(tài)從t0時刻開始,當驅(qū)動電壓信號通過電阻加在功率MOSFET的柵極G時,驅(qū)動電壓對G極的電容充電,G極電壓成指數(shù)上升。MOSFET的漏極和源極所加的電壓VDS為電源電壓VDD,漏極電流ID≈0A。當VGS電壓達到閾值電壓VTH后,此階段結束,對應時刻為t1,如圖2(a)和圖3所示。

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當ID的電流達到電流源的電流值Io、也就是系統(tǒng)的最大電流時,VGS電壓也上升到米勒平臺電壓VGP,此階段結束,對應時刻為t2。在整個時間段t1~t2過程中,VDS保持電源電壓VDD不變,如圖2(b)和圖3所示。

   

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(3) 模式t2-t3

在t2時刻,VGS電壓上升到米勒平臺電壓VGP,ID電流也上升到系統(tǒng)電流最大值。由于ID的電流不再增加,那么VGS的電壓就要維持不變,而驅(qū)動回路仍然提供著驅(qū)動的電流,試圖迫使VGS的電壓上升,那么只有VDS的電壓開始變化,也就是VDS從VDD電壓開始下降,產(chǎn)生dV/dT的變化,在米勒電容Crss上產(chǎn)生抽取電流,從而保證VGS的電壓不會增加。

ICrss = Crss· dVDS/dT

VDS的變化將驅(qū)動回路的電流全部抽走,從Crss流過,CGS沒有充電的電流,驅(qū)動電流全部流向Crss,VGS的電壓就不再變化,保持不變。在整個時間段t2~t3內(nèi),器件工作在穩(wěn)定的恒流區(qū),VGS電壓保持恒定VGP不變,ID電流保持恒定,VGS電壓保持一個平臺區(qū),形成有名的米勒平臺,如圖2b(c)和圖3所示,則有:

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隨著VDS電壓不斷降低,Crss的電荷被清除,當VDS電壓降到最小值后不再變化,此階段結束,對應時刻為t3。

(4) 模式t3-t4

在t3時刻,VDS電壓降到最小值不再改變,所以dVDS/dT為0,dVDS/dT不再通過Crss產(chǎn)生抽取電流,于是驅(qū)動電路的電流將繼續(xù)同時給CGS和Crss充電,如圖2(d)和圖3所示,VGS的電壓按指數(shù)關系上升,和階段1、2類似,直到VGS電壓達到最高的驅(qū)動VCC,整個開通的過程結束。

通過圖3的波形可以看到,在整個開通過程的4個階段:t0-t1、t1-t2、t2-t3和t3-t4,t0-t1階段,ID的電流基本上為0,沒有損耗。t3-t4完全開通,只有導通電阻產(chǎn)生的導通損耗,沒有開關損耗。

t1-t2、t2-t3二個階段,電流和電壓產(chǎn)生重疊交越區(qū),因此產(chǎn)生開關損耗。同時,t1-t2和t2-t3二個階段工作于線性區(qū),因此功率MOSFET的開通過程中,跨越線性區(qū)是產(chǎn)生開關損耗的最根本的原因。

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這表明:米勒平臺時間在開通損耗中占主導地位,這也是為什么在選擇功率MOSFET的時候,如果關注開關損耗,那么就應該關注Crss或QGD,而不僅僅是Ciss和QG。

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圖4:功率MOSFET開通損耗

開通損耗沒有考慮在開通過程中,Coss的放電產(chǎn)生的損耗,低壓的應用Coss放電產(chǎn)生的損耗可以忽略,而高壓的應用中,Coss放電產(chǎn)生的損耗甚至比上面的開通損耗還要大,因此在重點校核。

                                                                                                                                      文章來源:融創(chuàng)芯城

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2017-02-25 09:32
學習了
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2017-07-25 11:19
把整個開關過程講解的非常詳細!確實是好文章,收藏了!
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2017-07-25 23:05
@wsl19900516
把整個開關過程講解的非常詳細!確實是好文章,收藏了!
開關損耗,硬開關大,如果軟開關如雙軟開關,如ZVS/ZCS的開通關斷損耗幾乎為0,即不存在轉(zhuǎn)換損耗,這樣做出來的效率就非常高了。
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liangyy
LV.1
5
2017-07-28 22:33
@zhangyiping
開關損耗,硬開關大,如果軟開關如雙軟開關,如ZVS/ZCS的開通關斷損耗幾乎為0,即不存在轉(zhuǎn)換損耗,這樣做出來的效率就非常高了。
師傅們,你好!這里有2個關于開關損耗測量的問題,第一個,在測量LLC的MOS管的開關損耗時,電流為負時,管子導通,這時候產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗?第二個,就是反激MOS管在DCM模式下,在MOS管啟動時候產(chǎn)生震蕩,在該震蕩內(nèi)產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗(此相關的開關損耗波形找不到,從網(wǎng)上找了個圖來)?

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2017-08-01 10:22
@liangyy
師傅們,你好!這里有2個關于開關損耗測量的問題,第一個,在測量LLC的MOS管的開關損耗時,電流為負時,管子導通,這時候產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗?第二個,就是反激MOS管在DCM模式下,在MOS管啟動時候產(chǎn)生震蕩,在該震蕩內(nèi)產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗(此相關的開關損耗波形找不到,從網(wǎng)上找了個圖來)?[圖片][圖片]

第一個,在測量LLC的MOS管的開關損耗時,電流為負時,管子導通,這時候產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗?

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回答:當然要算啊,電流為負,無非是電流的流動方向不同,管子照樣在產(chǎn)生損耗

第二個,就是反激MOS管在DCM模式下,在MOS管啟動時候產(chǎn)生震蕩,在該震蕩內(nèi)產(chǎn)生的損耗算不算開關損耗

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回答:管子在導通瞬間產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象,也會有導通損耗,因為這個期間,

不但有電壓信號,還有id流過,電壓與電流重疊的區(qū)域,就是管子的損耗   

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zxysissy
LV.1
7
2017-08-25 10:56
深圳威兆半導體有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)中低壓MOS,產(chǎn)品主要應用于快充,TYPE C, 移動電源,電動工具,鋰電池保護,電子煙,航模等,有需要的朋友和代理請與張曉潔聯(lián)系:13421304640
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2017-09-19 20:13
@zxysissy
深圳威兆半導體有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)中低壓MOS,產(chǎn)品主要應用于快充,TYPEC,移動電源,電動工具,鋰電池保護,電子煙,航模等,有需要的朋友和代理請與張曉潔聯(lián)系:13421304640
Mark 下,學習了。
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2017-09-21 16:51
說得好
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chenyankun
LV.8
10
2017-09-25 23:33
@z2586651675
說得好
確實把米勒平臺說清楚了
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2018-01-27 02:53
@wsl19900516
把整個開關過程講解的非常詳細!確實是好文章,收藏了!
50雙宜科技LED摩托車 雙宜科技LED電動雙宜科技LED車燈方案不太亮
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2019-05-05 17:10
補補補知識
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