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必了解的開關電源之元器件選擇(四)

來源:東莞市成良智能科技   發(fā)布時間:2019-08-02   點擊量:1191


接著繼續(xù)來說說開關電源之元器件選擇的,從MOSFET晶體管的損耗等方面來具體介紹吧。
開關電源之MOSFET晶體管
場效應晶體管有結型和 MOS型。功率場效應管一般是 MOSFET。而MOSFET 還有 P 溝道和 N 溝道。較大功率一般不用 P 溝道,因為與 N 溝道相同電流和電壓定額的管子導通電阻比 N 溝道大,同時開關速度也比 N 溝道慢。開關電源之MOSFET 內部結構源極和漏極對稱的,且可以互換的。只要在柵極和源極(漏極)之間加一定正電壓(N 溝道),就能導通。因此 MOSFET 也常用于同步整流,它能雙向導通電流。

開關電源之MOSFET晶體管損耗
損耗有三個部分:導通損耗,柵極損耗和開關損耗。
導通損耗 MOSFET完全導通時,漏-源之間有一個電阻Ron上的損耗。應當注意手冊上導通電阻測試條件,測試時一般柵極驅動電壓為 15V。如果你的驅動電壓小于測試值,導通電阻應比手冊大,而 且 導 通 損 耗 P=RonI2 也 加 大 。 所以如果你要知道實際結溫,根據熱阻乘以損耗求得結溫,再根據新的熱態(tài)電阻求得損耗,如此反復迭代,直到收斂為止。如果不收斂,損耗功率太大。25R(T ) = R25 ×1.007T ?柵極損耗為驅動柵極電荷損耗。即柵極電容的充放電損耗,它不是損耗MOSFET上,而是柵極電阻或驅動電路上。

雖然開關電源之電容與柵極電壓是高度非線性關系,手冊中給出了柵極達到一定電壓Ug的電荷Qg,因此將此電荷驅動柵極的功率為P=QgVf。
要是實際驅動電壓和手冊對應的電荷規(guī)定電壓不同,可以這樣近似處理,用兩個電壓比乘以柵極電荷比較合理。要是你的柵極電壓比手冊規(guī)定高的話,這樣做最好。但密勒電容電荷是造成計算誤差的主要因素。開關損耗 隨著MOSFET的交替導通與截止(非諧振),瞬態(tài)電壓和電流的交越導致功率損耗,稱為開關損耗。

開關電源之電路中帶有電感,電流或電壓一般總是同時達到最大時轉換,如果開關電源之電流或電壓隨時間線性變化,由此可以推導出開關損耗:在斷續(xù)導通模式中,損耗P=IpkUpktsfs/2;而在連續(xù)模式中,此損耗加倍。這里Upk為MOSFET由導通到截止時漏-源電壓(和截止到導通的連續(xù)模式);Ipk為漏極峰值電流;ts為開關過渡時間;fs為開關頻率。

這就是為什么開關電源之柵極驅動越“硬”損耗越低。從損耗的角度希望驅動越硬越好,也就是要求驅動波形的前后沿陡。但因為MOSFET的輸入是一個電容,驅動波形越陡,即開關時dUg/dt越大,就意味著必須要求驅動電路提供很大的驅動電流,驅動信號源內阻越小越好。
但是開關速度越快,柵極電路微小寄生參數(shù)就會興風作浪,而開關電源的EMI問題越突出??傊琈OSFET 的總損耗是通態(tài)、柵極電荷和開關損耗之和。而總損耗中僅僅是第一和第三項是損耗在 MOSFET 上的。但是,除了帶有驅動電路的功率模塊以外,柵極驅動電路不可能與柵極連線最短,連線電感是不可避免的。線路

開關電源之電感與輸入電容在驅動電壓激勵下引起嚴重的振蕩,使驅動無法正常工作。為此,一般總在MOSFET柵極串聯(lián)一個電阻,對振蕩阻尼在可接受范圍內。但是,開關電源的電阻的加入破壞了驅動的電源壓特性,限制了驅動電流,降低了前后沿陡度,驅動波形前沿出現(xiàn)明顯指數(shù)上升特性,并在驅動達到MOSFET開啟電壓UT時,由于漏-柵電容放電的密勒效應造成柵極電壓“打折”,加大導通損耗。

在關斷時,密勒電容的放電效應,使得關斷延緩或誤導通,增加了關斷損耗。因此,柵極電阻不能太大,只要抑制振蕩就行。從根本上應當盡量縮短柵極與驅動連接距離。
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