Paper5 MOSFET-设计选型

一、设计选择

MOSFET的应用选择需综合各个方面的限制及要求，下面主要从应用安全及可靠性方面阐述选型的基本原则。
初步选择的步骤如下：

1. 参数解释

在电源应用电路中，首先考虑漏源电压 \(V_{DS}\) 的选择。在此基础上，原则上MOSFET的实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 \(90\%\): \(V_{DS_peak} \le 90\% \times V_{(BR)DSS}\)，一般情况下 \(V_{(BR)DSS}\) 具有正温度系数，因此需要取设备最低工作温度条件下的 \(V_{(BR)DSS}\) 作为参考。

2. 漏极电流

考虑漏极电流的选择，确定为MOSFET实际工作环境中最大周期漏电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 \(90\%\)：\(I_{D_{max}} \le 90 \% \times I_D\)，\(I_{D_{pulse}} \le 90\% \times I_{DP}\)

注意：

一般的，\(I_{D_{max}}\) 及 \(I_{D_{pulse}}\) 具有负温度系数，故需要取器件最大结温条件之下的 \(I_{D_{max}}\) 及 \(I_{D_{pulse}}\) 作为参考值。根据经验，在实际应用中规格书中的 \(I_D\) 比实际最大工作电流大数倍，这是因为耗散功率及温升的限制约束。初选时，建议 \(I_D=(3\sim 5)\times I_{D_max}\)

3. 驱动要求

MOSFET的驱动要求由其栅极总充电量 \(Q_g\) 参数决定，在满足其他参数要求的情况下，尽量选择 \(Q_g\) 小者方便驱动电路设计(推挽输出驱动)，驱动电压选择保证原理最大栅源电压\((V_{GSS})\) 前提下使得 \(R_{on}\) 尽量小。

4. 损耗及散热

小的 \(R_{on}\) 值有利于减小导通期间的损耗，小的 \(R_{th}\) 值可以减小温度差(同样耗散功率的情况下)，有利于散热。

5. 损耗功率初算

MOSFET的损耗计算主要包括一下8项：

\[P_{D}=P_{on}+P_{off}+P_{off-on}+P_{on-off} + P_{ds} + P_{gs} + P_{d-f} + P_{d-recover} \]

在同步整流的场合，还要考虑MOSFET体内二极管正向导通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。

6. 耗散功率约束

器件稳态损耗功率 \(P_{D_{max}}\) 应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。在能够预测器件的工作环境温度，则可以按照如下方法估算出最大耗散功率：

\[P_{D_{max}} \le (T_{j,max}-T_{amb}) / R_{\theta j-a} \]

其中 \(R_{\theta j-a}\) 是器件结点到其工作环境之间的总热阻，包括 \(R_{\theta junction-case}, R_{\theta case-sink}, R_{\theta sink-ambiance}\) 等。如期间还有绝缘材料还需要将其热阻考虑进去。

根据这里得到的数值，重新调整 \(I_D, R_{on}\) 等参数，直到 \(P_{D_{max}}\) 满足耗散功率约束要求。

二、损耗组成及计算方法

1. 导通损耗 \(P_{on}\)

是指在MOSFET完全开启后负载电流(即漏源电流) \(I_{DS(on)}(t)\) 在导通电阻 \(R_{DS(on)}\) 上产生的压降造成的损耗。

🌻 计算方法：

先通过计算得到 \(I_{DS(on)}\) 函数表达式，并计算出其有效值 \(I_{DS(on)RMS}\)，再通过如下电阻损耗计算式计算：

\[P_{on}=I_{DS(on)RMS}^2\times R_{DS(on)} \times D_{on} \]

说明：
计算 \(I_{DS(on)RMS}\) 使用的时间仅仅是导通时间 \(T_{on}\)，而不是整个工作周期 \(T_s\)，\(R_{DS(on)}\)会随着\(I_{DS(on)}(t)\)值和器件结温的不同而有所不同，此时的原则是根据规格书查找尽量靠近工作条件下的 \(R_{DS(on)}\) 值(使用温度系数 \(K\))。

2. 截止损耗 \(P_{off}\)

是指在MOSFET完全截止后在漏源电压 \(V_{DS(off)}\) 应力下产生的漏电流 \(I_{DSS}\) 造成的损耗。

🌻 计算方法：

先通过计算得到 MOSFET截止时所承受的漏源电压 \(V_{DS(off)}\)，再通过数据手册中提供的 \(I_{DSS}\) 使用如下公式计算：

\[P_{off}=I_{DSS}\times V_{DS(off)} \times K \times (1-D_{on}) \]

说明：
计算 \(I_{DSS}\) 会随着 \(V_{DS(off)}\) 变化而变化，一般规格书提供的此值是在一近似 \(V_{(BR)DSS}\) 条件下的参数，如果计算得到的 \(V_{DS(off)}\) 很大以至于接近 \(V_{(BR)DSS}\)，可以直接引用这个漏电电流大小，如果很小可以忽略此项。

3. 开启过程损耗 \(P_{off-on}\)

在MOSFET开启过程中，逐渐下降的漏源电压 \(V_{DS(off-on)(t)}\) 与逐渐上升的负载电流 \(I_{DS(off-on)(t)}\) 交叉重叠部分造成的损耗。

🌻 计算方法：

开启过程 \(V_{DS(off-on)(t)}\) 与 \(I_{DS(off-on)(t)}\) 交叉波形如上图所示。首先需计算开启时刻前 \(V_{DS(off-end)}\) 、开启完成之后的 \(I_{DS(on-beginning)}\)，以及 \(V_{DS(off-on)(t)}\) 与 \(I_{DS(off-on)(t)}\) 波形的重叠时间 \(T_X\)，计算公式如下：

\[P_{off-on} = f_s \times \int^{T_X} V_{DS(off-on)}(t) \times I_{DS(off-on)}(t) \times dt \]

实际计算这一部分损耗的方式基于两种假设，具体如下：

1. A类假设为 \(V_{DS(off-on)(t)}\) 下降的同时 \(I_{DS(off-on)(t)}\) 上升。

\[P_{off-on}=1/6 \times V_{DS(off-end)} \times I_{p1} \times tr \times f_s \]

2. B类假设为 \(V_{DS(off-on)(t)}\) 下降是从 \(I_{DS(off-on)(t)}\) 上升到最大值才开始的。

\[P_{off-on}=1/2 \times V_{DS(off-end)} \times I_{p1} \times (t_d(on)+tr) \times f_s \]

实际电路中的 \(I_{p1}\) 参数是较难预测的，和整个电源的框架电路关系重大，例如 flyback 中的实际电流和次级电路反向二极管漏电流耦合到初级端的电流、初级侧绕组的寄生电容电荷放电等。

4. 关断过程损耗 \(P_{on-off}\)

在MOSFET关断过程中，逐渐上升的漏源电压 \(V_{DS(on-off)(t)}\) 与逐渐下降的负载电流 \(I_{DS(on-off)(t)}\) 交叉重叠部分造成的损耗。

🌻 计算方法：

关断过程 \(V_{DS(on-off)(t)}\) 与 \(I_{DS(on-off)(t)}\) 交叉波形如上图所示。首先需计算开启时刻前 \(V_{DS(on-end)}\) 、开启完成之后的 \(I_{DS(off-beginning)}\)，以及 \(V_{DS(on-off)(t)}\) 与 \(I_{DS(on-off)(t)}\) 波形的重叠时间 \(T_X\)，计算公式如下：

\[P_{on-off} = f_s \times \int^{T_X} V_{DS(on-off)}(t) \times I_{DS(on-off)}(t) \times dt \]

实际计算这一部分损耗的方式基于两种假设，具体如下：

1. A类假设为 \(V_{DS(on-off)(t)}\) 下降的同时 \(I_{DS(on-off)(t)}\) 上升。

\[P_{on-off}=1/6 \times V_{DS(on-end)} \times I_{p1} \times tr \times f_s \]

2. B类假设为 \(V_{DS(on-off)(t)}\) 下降是从 \(I_{DS(on-off)(t)}\) 上升到最大值才开始的。

\[P_{on-off}=1/2 \times V_{DS(on-end)} \times I_{p1} \times (t_d(off)+tr) \times f_s \]

5. 栅极接收驱动电源功率损耗 \(P_{gs}\)

确定驱动电源电压，计算公式如下：

\[P_{gs} = V_{gs} \times Q_g \times f_s \]

6. 输出电容\(C_{oss}\) 截止期间储蓄的电场能于导通期间在漏源极上的泄放损耗 \(P_{ds}\)

首先计算开启时刻之前的 \(V_{DS}\) ，再通过如下公式进行计算：

\[P_{ds} = \frac{1}{2} \times V_{DS(off_end)}^2 \times C_{oss} \times f_s \]

7. 体内寄生二极管在承受正向电流后因正向压降造成的损耗 \(P_{df}\)

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)，需要对此部分的损耗进行计算，公式如下：

\[P_{d-f}=I_F\times V_{DF} \times T_X \times f_s \]

其中：\(I_F\) 为二极管承载的电流量，\(V_{DF}\) 为二极管正向导通电压，\(T_X\) 为一周期内二极管承载电流的时间。

8. 体内寄生二极管在承受正向电流后因反向压导致的反向恢复损耗 \(P_{d-recover}\)

这一损耗的计算原理与普通二极管反向恢复损耗一样，计算如下：

\[P_{d-recover}=V_{DR}\times Q_{rr} \times f_s \]

其中 \(V_{DR}\) 为二极管的反向压降，\(Q_{rr}\) 为二极管的反向恢复电量。

Reference

1. 开关过程中的振铃抑制问题.pdf
2. MOSFET损耗详细计算过程.pdf