若何降落MOSFET消耗？具体分享-KIA MOS管

功率MOSFET操纵中，功率消耗将致使热发生，首要由通态消耗、开关消耗组成，这也是工程师在操纵中首要针对优化的处所。功率消耗的降落，能够或许从硬件、软件两个层面动手。本文先聊聊硬件层面的降消耗计划。

以下组成消耗的8个局部∶

1、导通功率消耗;

2、停止功率消耗;

3、开启进程功率消耗;

4、关断进程功率消耗;

5、驱动功率消耗;

6、Coss电容泄放消耗;

7、寄生二极管正向导通消耗

8、寄生二极管反向规复消耗

针对前文提到的8个消耗组成局部，一一切磋硬件层面降落消耗的可行性。

1、导通功率消耗

导通功率消耗首要来历于功率电流在通态电阻Rds（（on）上发生的热。

从公式来看，漏极电流IDS和温度系数K稳定的前提下，降落通态消耗的体例/只需降落通态电阻Rds（on）和减小占空比。

机电节制中，占空比转变影响转矩输出，这触及节制机能，须要综合考量，这里存眷通态电阻的减小。

功率MOSFET的消耗文章会提到，通态电阻Rds（on）受温度和载流子浓度影响。

能够或许从两方面来降落通态电阻∶

A、优化器件自身的设想及工艺;

B、优化内部散热。

比拟于VDMOS，Trench MOSFET具有更低的导通电阻、更大的导通电流和更快的开关速率，在中高压范畴操纵更加普遍。

导通电阻与芯片面积成反比，但增添芯片面积降落导阻，本钱的晋升常常是贸易类产物不能许可的;而引入多数载流子导电，能够或许降落导通压降，但开关速率将受影响且呈现拖尾电流、开关消耗增添。

以是针对Rds（on）的优化，倡议普通从以下两个方面优化∶在设想选型阶段，综合考量的情况下，尽能够挑选小的Rds（on）的MOSFET;重视散热器的设想，完整导通状况下，Rds（on）为正温度系数。

2、停止功率消耗

停止消耗来历于泄电流IDSS形成的消耗，先领会泄电流若何发生。按照PN结的伏安特征曲线，当加反向电压时，在第三象限，有一段不随电压变更的电流段（温度稳定的情况下），该段即为PN结的反向饱和电流。

按照MOSFET规划，漏源之间是两个PN结，那末就不可避免呈现反向饱和电流的情况，也就发生所说的泄电流。

从上文PN结的伏安特征曲线可知，在必然规模内，饱和泄电流的巨细与电压有关，与温度相干。以是针对停止功率消耗，能够或许在MOS选型阶段，存眷反向饱和泄电流这一目标。

别的一方面，温度对其影响较大，以是保障体系在停机停止状况时，热量能够或许散出，就几近能够或许疏忽该消耗了。

3、开启进程功率消耗

开启进程消耗是因为MOSFET开启进程中逐步降落的漏源电压VDS与逐步回升的漏源电流IDS穿插堆叠局部形成的能量消耗。

从波形来寻觅降落消耗的体例，即减小交汇处的面积Poff-on!

操纵中能够或许经由进程以下体例优化∶

1）调理守旧速率

提到守旧消耗降落，开启速率常常会成为大师起首调理的工具。降落门极驱动电阻，减小门极电容是最间接有用的体例。别的一方面，保障驱动电压在额外规模内，越高守旧速率越快。

须要重视的是过快的守旧，会致使电流的疾速回升，因为杂散电感的存在，会发生较高的电压尖峰，从而破坏器件，以是须要综合考量守旧速率。

2）软开启电路

软开启电路首要是错开电压和电流峰值交汇，让电流降落到较高值之前，电压值已/将近降落到0V了，经由进程适配电路，实现ZVS a（零电压守旧）、ZCS（零电流守旧）

针对守旧阶段的ZVS与ZCS，须要存眷以下题目∶

零电流守旧∶

零电流守旧首要是操纵DCM形式下，电感电流不能渐变，从而实现MOS守旧时漏极电感电流为零。可是零电流守旧不能消弭漏极电荷消耗。在CCM形式下，零电流守旧必须要经由进程赞助开关来实现（最少两个开关协同任务）。

零电压守旧∶

零电压守旧首要经由进程赞助电路将Cds+Cgd上的电荷实现转移走，从而消弭守旧消耗和"漏极电荷消耗。

LLC谐振∶

LLC谐振软开关是传统软开关的最好理论，经由进程几个开关之间的合作，和增添赞助电感和电容，到达MOS的零电压开关，从而根基消弭明晰开关消耗和漏极电荷消耗。

可是不可避免的，为实现零电压关断须要在漏源之间并联很大的电容来接收关断电流，从而在/大电流操纵中致使庞大的能量在赞助电感和赞助电容组成的收集中震动。

因为电源满载与/轻载时漏极存储的电荷量差别，以是为了知足牢固的谐振频次，PWM控生器必须变频任务。

4、关断进程功率消耗

关断进程消耗是因为MOSFET关断进程中逐步降落的漏源电流IDS与逐步回升的漏源电压VDS 穿插堆叠局部形成的能量消耗。

从波形来寻觅降落关断消耗的体例，也是减小交汇处的面积PoN oFF!且波形近似，以是优化体例也不异，即∶

1）调理关断速率

2）软关断电路

关断速率的调理同守旧速率的调理一样，首要从门极的驱动参数和驱动电源等方面优化。而针对关断阶段的ZVS与ZCS，须要存眷以下题目∶

零电压关断

零电压关断首要是操纵电容电压不能渐变的特征，将MOS管上的电流转移到Cds中去，从而保障MOS电流为零时Vds依然坚持一个比拟低的值，降落关断消耗。

可是这带来一个题目，在大电流情况下为钳位Vds必须保障Cds充足大，而过大的Cds现实上是将关断消耗转移。到漏极电荷消耗中。

零电流关断∶

凡是MOS的零电流关断不轻易很直观的实现，除非事前将MOS上的电流转移到其余的处所（凡是须要赞助开关协同实现）。现实上，零电压关断终究也会告竣零电流关断（相称于MOS上的电流被转移到Cds中了）

若是利用了赞助开关，则须要重视MOSFET的误导通题目。

5、驱动功率消耗

如右图所示，为罕见的驱动回路电路。驱动消耗，指栅极接管驱动电源停止驱动形成的消耗。

驱动体例不分歧，驱动效力则会存在差/异，一样的驱动输出功率前提下，形成的消耗。也会差别。以下的计较公式则得出了统一器件操纵时，驱动功率消耗的最大值∶

PGS= VGSQgfs

按照公式寻觅降落其消耗体例，须要在设想阶段，存眷三个变量∶

1）器件的Qg值;

2）驱动电压设定;

3）任务频次。

须要重视，不能为降落消耗，挑选较小的参数，不然会对体系其余机能发生影响。比方驱动电压VGS这一参数，数值偏小，只需高于阈值电压，器件仍能导通，可是却能够使器件任务于半导通状况，此时通态消耗会很大，影响体系机能。若选型’时，挑选Qg较小的器件，则会致使器件更轻易到达开启前提，误导透风险增添。

普通来讲驱动消耗不会太大，设想时不必决心减小它而影响其余机能，若是必然须要优化，最好/的思绪是晋升驱动效力。因为图腾柱驱动、光耦断绝驱动、变压器断绝驱动效力是差别的，是以驱动消耗（即驱动电路发烧）是差别的。差别的驱动IC、差别的设想程度是差别的，也会针对该消耗有优化的能够。

6、Coss电容泄放消耗

指输出电容Coss在MOSFET停止时代存储的电场能，在MOSFET导通时代，在漏源极上的泄放消耗。

现实进程中，因为Coss影响，大局部电流从MOSFET中流过，流过Coss的很是小，乃至能够或许疏忽不计，是以Coss的充电速率很是慢，电流VDS回升的速率也很是慢。即∶

因为Coss的存在，在关断的进程中，因为电容电压不能渐变，是以VDS的电压一向保持在较低的电压，功率消耗很小。

因为Coss的存在，在开启的进程中，电容电压不能渐变，是以VDS的电压一向保持在较高的电压，现实的功率消耗很大。

Coss泄放消耗计较公式为∶

PDS=1/2VDS2Cossfs

Coss放电发生的消耗首要在守旧阶段，和容值、频次成反比，和电压的平方成反比。在功率MOSFET的数据表中，Coss对应发生的功耗便是Eoss。

操纵设想优化的标的目的首要还是从Coss电容动手。其由漏源电容Cds和栅泄电容Cgd组成，但普通很难优化Cgd，因为其常常在模块或单管成型时就已成定直了，且还与Cgs组成Ciss输出电容，对其转变会影响米勒平台的情况。

以是首要是针对Cds做优化，按照现实测试结果，挑选并联适合的Cds电容，既不能为了接收尖峰而并联过大的Cds，因为其存储的能量在守旧阶段会大/量开释，致使消耗增添，乃至致使谐振，影响一般的机能。也不能为了减小损/想耗，而过于减小电容，不然电压尖峰将会很头疼。须要按照现实操纵情况找到最A优值。

7、寄生二极管正向导通消耗

寄生二极管正向导通消耗不可轻忽，出格是在大电流操纵情况中，该消耗必须严酷把控。

此处消耗首要发生在功率器件续流时代。

计较公式以下∶

Pd_f=IF"VDFt3*fs

IF为二极管正向电流，VDF为二极管正向导通压降，t3为二极管正向续流时辰。

从操纵层面斟酌，首要从VDF优化该消耗，在设想选型阶段，挑选VDF低的器件。

别的能够或许内部搭建电路，即不利用模块寄生二极管续流，内部加电路，利用内部二极管续流，使续流阶段发生的消耗不叠加到功率器件上，从而晋升器件的利用机能。

因为D2的存在，将会使导通消耗增添，固然增添的消耗也并未叠加到MOSFET上，但全部体系的效力会是以降落，且D1、D2的选型及散热处置会比拟费脑子，只保举在局部操纵场景中利用该电路。

8、寄生二极管反向规复消耗ve

反向规复便是正向导通时PN滚存储的电荷耗尽，规复成停止状况的进程。实现该进程须要的能量便是消耗的组成。

右图所示为反向规复阶段电流的功率器件内电流的标的目的，Irss即为反向规复电流，此阶段流过下桥的电流为电感电流与上桥反向规复电流之和。表现到下桥的电流波形，则是会鄙人桥开启处，呈现一个电流尖峰。其巨细受开启速率影响。此处首要优化的是Irss变为0之前其形成的消耗。

反向规复进程有一个参数尤其关头∶trr（反向规复时辰）。其影响功率MOSFET的宁静任务区。

反向规复时辰太长，将致使反向规复消耗增大，更加严峻的影响是影响任务频次，因为时辰太长，致使预留的死区必须更大，能力保障宁静。

反向规复时辰太短，则额外电流下，di/dt会变得很大，因为杂感存在，会致使反向规复阶段发生很高的尖峰，从而破坏器件。

针对反向规复阶段的消耗， 能够或许从以下三个方面来优化∶

1）节制适合的开关速率来节制反向规复时辰以降落消耗及使器件任务在宁静地区;2）同时优化布线，削减杂感，能够或许对消耗降落起很大的感化。

）以后面两种方法优化后，还须要优化的时辰， 倡议挑选规复特征较软的MOSFET。

总结

要给功率MOSFET降温，削减其消耗，颠末前文切磋，硬件降温首要分为操纵层面和MOSFET产物两个层面去优化∶

1、MOSFET产物层面∶

1）降落Rds（on）;

2）优化寄生电容Cgd;

3）优化寄生二极管导通压降;

4）优化寄生二极管反向规复软度;

5）优化MOSFET产物内部杂散电感。

2、操纵层面∶

1）优化开关速率;2）晋升驱动效力3）优化Cds接收电容参数;

4）优化规划走线，减小内部杂散电感;

5）重视散热设想，避免受温度影响大的参数转变，致使消耗增添;

6）一些特别利用处合，为掩护器件，能够或许利用特别电路来转移消耗。如ZVS/ZCS电路、内部二极管续流电路等。

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