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三相变频电源MOSFET设计选择 / 损耗组成及计算方法

一、 规划挑选
     三相变频电源 MOSFET 的运用挑选须归纳各方面的束缚及要求。下面首要从运用的安全可靠性方面论述选型的根本原则。
     主张初选之根本步骤:
     下面详细解说其间各参数挑选之原则及注意事项。
1 )电压应力:
     在三相变频电源电路运用中,往往首要考虑漏源电压 VDS 的挑选。在此上的根本原则为 三相变频电源 MOSFET 实践作业环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器材标准书中标称漏源击穿电压的 90% 。即:
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS 
     注:一般地, V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设备最低作业温度条件下之 V(BR)DSS 值作为参阅。
2) 漏极电流:
     其次考虑漏极电流的挑选。根本原则为 三相变频电源 MOSFET 实践作业环境中的最大周期漏极电流不大于标准书中标称最大漏源电流的 90% ;漏极脉冲电流峰值不大于标准书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即: ID_max ≤ 90% * I D
I D_pulse ≤ 90% * IDP 
     注:一般地, ID_max 及 I D_pulse 具有负温度系数,故应取器材在最大结温条件下之 ID_max 及 I D_pulse 值作为参阅。器材此参数的挑选是极为不确定的—首要是受作业环境,散热技能,器材其它参数(如导通电阻,热阻等)等彼此制约影响所造成的。最终的断定根据是结点温度(即如下第六条之“耗散功率束缚”)。根据经验,在实践运用中标准书目中之 ID 会比实践最大作业电流大数倍,这是由于散耗功率及温升之束缚束缚。在初选核算时期还须根据下面第六条的散耗功率束缚不断调整此参数。主张初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。

三相变频电源MOSFET设计选择 / 损耗组成及计算方法

3) 驱动要求:
     MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量( Qg )参数决定。在满意其它参数要求的情况下,尽量挑选 Qg 小者以便驱动电路的规划。驱动电压挑选在确保远离最大栅源电压( VGSS )前提下使 Ron 尽量小的电压值(一般运用器材标准书中的主张值)。
4) 损耗及散热:
     小的 Ron 值有利于减小导通期间损耗,小的 Rth 值可减小温度差(相同耗散功率条件下),故有利于散热。
5) 损耗功率初算:
     三相变频电源 MOSFET 损耗核算首要包含如下 8 个部分:
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
     详细核算公式应根据具体电路及作业条件而定。例如在同步整流的运用场合,还要考虑体内二极管正导游通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。损耗核算可参阅本章如下之“损耗组成及核算办法”部分。
6) 耗散功率束缚:
     三相变频电源器材稳态损耗功率 PD,max 应以器材最大作业结温度束缚作为考量根据。如可以预先知道三相变频电源器材作业环境温度,则可以按如下办法估算出最大的耗散功率:
PD,max ≤ ( Tj,max - Tamb ) / R θj-a
     其间 Rθj-a 是器材结点到其作业环境之间的总热阻 , 包含 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。核算方式可按暖流等效电路进行核算(参阅《元器材温升规划参阅标准》)。
再根据此数值回来到上面重新调整 I D /Ron 等参数(如需求)。直到 PD,max 核算值挨近而有不超越 ( Tj,max - Tamb ) / R θj-a 核算值。
二、 损耗组成及核算办法
     在三相变频电源器材规划挑选进程中需求对三相变频电源 MOSFET 的作业进程损耗进行先期核算(所谓先期核算是指在没可以测验各作业波形的情况下,使用器材标准书供给的参数及作业电路的核算值和预计波形,套用公式进行理论上的近似核算)。
     三相变频电源 MOSFET 的作业损耗根本可分为如下几部分: 

符号

物理意义

应用

1)

Pon

导通损耗。指在 MOSFET 完全开启后负载电流(即漏源电流) IDS(on)(t) 在导通电阻 RDS(on) 上产生之压降造成的损耗。

先通过计算得到 IDS(on)(t) 函数表达式并算出其有效值 IDS(on)rms ,再通过如下电阻损耗计算式计算:

Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don

说明:计算 IDS(on)rms 时使用的时期仅是导通时间 Ton ,而不是整个工作周期 Ts ; RDS(on) 会随 IDS(on)(t) 值和器件结点温度不同而有所不同,此时的原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的 RDS(on) 值(即乘以规格书提供的一个温度系数 K )。

2)

Poff

截止损耗。指在 MOSFET 完全截止后在漏源电压 VDS(off) 应力下产生的漏电流 IDSS 造成的损耗。

先通过计算得到 MOSFET 截止时所承受的漏源电压 VDS(off) ,在查找器件规格书提供之 IDSS ,再通过如下公式计算:

Poff=VDS(off) × IDSS ×( 1-Don )

说明: IDSS 会依 VDS(off) 变化而变化,而规格书提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 条件下的参数。如计算得到的漏源电压 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 则可直接引用此值,如很小,则可取零值,即忽略此项。

符号

物理意义

应用

3)

Poff_on

开启过程损耗。指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐渐上升的负载电流(即漏源电流) IDS(off_on)(t) 交叉重叠部分造成的损耗。

开启过程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上图所示。首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS(off_end) 、开启完成后的 IDS(on_beginning) 即图示之 Ip1 ,以及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算:

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)S(t) × dt

实际计算中主要有两种假设 — 图 (A) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的开始下降与 IDS(off_on)(t) 的逐渐上升同时发生;图 (B) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的下降是从 IDS(off_on)(t) 上升到最大值后才开始。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实际测试到的波形,其更接近于 (A) 类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式:

(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs 

(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs 

(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明:图 (C) 的实际测试到波形可以看到开启完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 (电源使用中 Ip1 参数往往是激磁电流的初始值)。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到,其跟电路架构和器件参数有关。例如 FLYBACK 中 实际电流应是 Itotal=Idp1+Ia+Ib(Ia 为次级端整流二极管的反向恢复电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比, Ib 为变压器初级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关开通瞬间释放的电流 ) 。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的主要原因之一。

4)

Pon_off

关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中逐渐上升的漏源电压 VDS(on_off) (t) 与逐渐下降的漏源电流 IDS(on_off)(t) 的交叉重叠部分造成的损耗。

如上图所示,此部分损耗计算原理及方法跟 Poff_on 类似。首先须计算或预计得到关断完成后之漏源电压 VDS(off_beginning) 、关断时刻前的负载电流 IDS(on_end) 即图示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算:

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt

实际计算中,针对这两种假设延伸出两个计算公式:

(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs 

(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs 

(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明: IDS(on_end) =Ip2 ,电源使用中这一参数往往是激磁电流的末端值。因漏感等因素, MOSFET 在关断完成后之 VDS(off_beginning) 往往都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其上,此值可大致按经验估算。

符号

物理意义

应用

5)

Pgs

栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗

确定驱动电源电压 Vgs 后,可通过如下公式进行计算:

Pgs= Vgs × Qg × fs

说明: Qg 为总驱动电量,可通过器件规格书查找得到。

6)

Pds

输出电容 Coss 截止期间储蓄的电场能于导同期间在漏源极上的泄放损耗。

首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS ,再通过如下公式进行计算:

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs 

说明: Coss 为 MOSFET 输出电容,一般可等于 Cds ,此值可通过器件规格书查找得到。

符号

物理意义

应用

7)

Pd_f

体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗。

在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中(例如同步整流),需要对此部分之损耗进行计算。公式如下:

Pd_f = IF × VDF × tx × fs 

其中: IF 为二极管承载的电流量, VDF 为二极管正向导通压降, tx 为一周期内二极管承载电流的时间。

说明:会因器件结温及承载的电流大小不同而不同。可根据实际应用环境在其规格书上查找到尽量接近之数值。

8)

Pd_recover

体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向恢复造成的损耗。

这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下:

Pd_recover=VDR × Qrr × fs 

其中: VDR 为二极管反向压降, Qrr 为二极管反向恢复电量,由器件提供之规格书中查找而得。 

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