Расчет потерь в MOSFET транзисторах

Приветствую!

В этой статье я расскажу, как рассчитываю потери на MOSFET транзисторах при разработке источника питания и поверхностно рассмотрю основные переходные процессы, с которыми связаны потери на транзисторах MOSFET (далее транзистор).

Перед тем, как приступить к расчетам, необходимо понять, из чего состоят и от чего зависят эти потери. В документе [1] от infeneon полагают, что общие потери транзистора (Pобщ) состоят из кондуктивных (Pконд) и динамических (Pдин) потерь.

Теперь подробнее про сами типы потерь:

1)    Кондуктивные потери зависят от протекающего тока через переход (IDS) сток-исток транзистора и сопротивления открытого перехода сток-исток (RDS(on)). Также есть еще одна часть кондуктивных потерь, которая проявляется только при определенных включениях транзистора – это потери при протекании тока через паразитный диод транзистора, например, при использовании транзистора в качестве нижнего ключа синхронного Buck преобразователя, но здесь это не будет учитываться, так как это особенность схемы и ее нужно просто держать в уме.

 2)     Динамические потери­­. Грубо говоря, это затраты на включение и выключение транзистора. Большинство начинающих разработчиков даже не знает об их существовании, а ведь они могут составлять большую часть потерь при определенных условиях. Динамические потери зависят от многих переменных, таких как характеристики самого транзистора (емкости переходов, внутреннего сопротивления затвора, порогового напряжения открытия и т.п), от внешних параметров управления транзистором: частоты работы транзистора, токах включения и выключения, времени включения, напряжения на затворе, времени нарастания напряжения на затворе и т.п. На рисунке 1 показаны динамические потери (Рвкл и Рвыкл) в одном рабочем цикле транзистора.

Рисунок 1 Области динамических потерь транзистора

Общие потери представляются как сумма потерь на разных этапах работы транзистора, которые представлены на рисунке 1.

Рассмотрим процессы в динамических потерях подробнее. В руководстве от компании «Sipex Corporation» в документе «Application note ANP20» [2] достаточно подробно описаны процессы в динамических режимах работы – при включении и выключении транзистора.

Рисунок 2 интервалы работы транзистора

Далее будут рассмотрены несколько основных этапов работы транзистора – включение, активный режим работы, режим насыщения и выключение. Для удобства восприятия внутренние емкости транзистора представлены на рисунке 3

Рисунок 3 Внутренние емкости MOSFET транзистора

1.     Включение:

1)            t0 – исходное состояние выключенного транзистора;

2)            t0 – t1 заряд емкостей затвора Сgs;

3)            t1 – напряжение затвор-исток достигает порогового напряжения открытия, начинается открытие канала, IDS равен 0;

4)           t1 – t2 – емкость затвора Сgd продолжает заряжаться, IDS увеличивается за счет открытия канала.

2.     Активный режим работы:

1)           t2 – емкость затвора Сgd полностью заряжена, ток через переход сток-исток IDS достигает номинального значения в статичном режиме;

2)           t2 – t3 – транзистор входит в активный режим работы, заряжается внутренняя емкость транзистора сток-исток Сds, что вызывает падение напряжения на переходе сток-исток и приводит к эффекту «Миллера», который заключается в том, что часть тока затвора проходит через переход сток-исток, что приводит к постоянному значению напряжения затвор-исток до тех пор, пока не разрядится емкость транзистора сток-исток Сds;

3)           t3 – емкость сток-исток Сds транзистора полностью разряжена, поэтому напряжение сток-исток минимальное и соответствует падению напряжения на паразитном сопротивлении транзистора Rds(on) в открытом состоянии, транзистор переходит в режим насыщения.

3.     Режим насыщения:

1)    tR – напряжение затвор-исток снова начинает увеличиваться из-за дополнительной зарядки емкости затвора Сgs, но ток заряда затвор-исток уже минимален.

4.   Выключение.t0′-t6 Режим выключения  аналогичен режиму включения, описанному в п.1, только происходит в обратной последовательности.

Теперь, когда разобрали основные типы потерь и появилось понимание, из чего они состоят, можно приступать к расчетам.

Для начала расчетов необходимо выписать данные на транзистор и режим его работы. В таблице 1 перечислены необходимые параметры для расчета.

Таблица 1 Основные переменные для расчетов

Первым этапом вычисляем время включения транзистора по формуле (3) [2]:

Далее вычисляем время выключения транзистора по формуле 4 [2]:

Когда получены значения времени включения и выключения транзистора, можно приступить к основной формуле расчета общих потерь на транзисторе (5) [2], которая является следствием ранее приведенной формулы (1):

Вот и весь, казалось бы, простой расчет. Теперь приведу пример с расчетом потерь на транзисторе.

1.     Схема работы.

От схемы работы транзистора зависят его параметры, такие как коэффициент заполнения, напряжение, ток через него, тип управления.

Для простого примера возьму схему buck преобразователя, представленную на рисунке 4

Исходные данные по схеме:

– входное напряжение затвор-исток (UDS) 12 В, которое задает генератор V1;

– коэффициент заполнения (D) – 0,2 (так настроен генератор V2. Импульсы с длительностью 1 мкс и частотой 5 мкс D = tT, где t – длительность импульса, а T – период их следования, соответственно D = 0.000001/0.000005, D = 0.2)

– напряжение затвор-исток (UGSF), которое создает генератор V2, равно 12 В;

– внешнее сопротивление затвора на включение (ROR), на схеме показано как R1 и составляет 10 Ом;

– внешнее сопротивление затвора на выключение (ROF), на схеме показано как R2 и составляет 1 Ом;

– частота работы транзистора (fs) равна 200 кГц (fs =1T, fs =1.000005);

– ток через сток-исток транзистора (IDS) в данной схеме равен Iвых и равен 1 А;

На этом закончились параметры из схемы, далее беру параметры самого транзистора (для примера взял IRF540PBF) из описания или datasheet:

– сопротивление сток-исток транзистора в открытом состоянии (RDS(ON)) лучше всего брать из графика, на котором показана зависимость приложенного напряжение затвор-исток и сопротивления открытого канала, но этот график есть не везде и можно взять просто максимальное значение из таблицы «SPECIFICATIONS» в datasheet транзистора:

В данном случае RDS(ON) = 0,077 Ом;

– пороговое напряжение затвор-исток UGS(TH) берется из этой же таблицы:

Для расчетов лучше использовать наихудший вариант напряжения открытия, который равен 2 В;

– входная и обратные емкости (CISS и CRSS) как правило располагаются чуть ниже в этой же таблице:

Но всё же лучше брать значения для конкретных условий работы транзистора из зависимости внутренних сопротивлений от напряжения сток-исток:

При входном напряжении 12 В в схеме рис. 4 CISS ≈ 1700 пФ и CRSS ≈ 270 пФ

– внутреннее сопротивление транзистора (RG) тоже указывается не везде, для упрощения его значение можно взять равным «1», но в нашем случае оно есть в прежней таблице:

Соответственно, в наихудшем случае RG будет равен 3,6 Ом.

– остался последний параметр, необходимый для расчетов – напряжение, при котором происходит плато «Миллера» (UGP). В таблицах он встречается редко, поэтому приходится высматривать его в графиках зависимости полного заряда затвора (Qg) и напряжения затвор-исток:

В нашем случае UGP ≈ 5,5 В.

Когда все данные для расчета получены, в первую очередь рассчитываем время открытия транзистора по формуле (3), tR =16 нс.

Затем время выключения транзистора по формуле (4), tF =23 нс.

Далее можем получить общую мощность рассеивания по формуле (5), Pобщ=0,06 Вт.

Вот и получили достаточно точный расчет параметров транзистора. Меняя параметры транзистора, можно понять, насколько важно выбирать «хорошие» транзисторы, чтобы на частотах выше 100 кГц получить максимальную эффективность от схемы.

Спасибо за внимание, надеюсь, данная методика расчетов будет полезна для начинающих разработчиков.

Использованная литература:

1.      MOSFET Power Losses Calculation Using the DataSheet Parameters. Edition 2006-07-31 Published by Infineon Technologies AG.

2.     Application Note: Properly Sizing MOSFETs, Sipex Corporation 2006.