Что считает калькулятор потерь MOSFET
Силовой MOSFET в импульсном преобразователе или транзисторном ключе не идеален: часть проходящей через него мощности превращается в тепло. Эта рассеиваемая мощность определяет, нагреется ли кристалл до опасной температуры и нужен ли радиатор. Калькулятор оценивает три составляющие потерь по паспортным данным ключа и рабочему режиму, а затем складывает их в суммарную мощность рассеяния. Такой расчёт нужен на этапе выбора транзистора для DC-DC преобразователя, инвертора, драйвера двигателя или синхронного выпрямителя — ещё до пайки, чтобы не получить перегрев в первом же прогоне.
Pпров = Id² · Rds(on) · D Pпер = ½ · Vds · Id · tsw · fsw
Pзатв = Qg · Vgs · fsw Pвсего = Pпров + Pпер + Pзатв
Ток стока Id задают в амперах, сопротивление открытого канала Rds(on) — в миллиомах или омах, скважность D — в процентах (доля периода, когда ключ открыт), напряжение сток-исток в закрытом состоянии Vds — в вольтах. Время переключения tsw (сумма времён включения и выключения) вводят в наносекундах, частоту коммутации fsw — в килогерцах, заряд затвора Qg — в нанокулонах, а Vgs — напряжение, до которого драйвер заряжает затвор. Скважность в формуле делится на 100, а единицы переводятся в СИ автоматически.
Три составляющие потерь
Потери проводимости возникают на сопротивлении открытого канала: ток протекает через Rds(on), как через обычный резистор, и выделяет тепло только пока ключ открыт — отсюда множитель D. Они квадратично зависят от тока, поэтому удвоение Id учетверяет эту составляющую. Потери переключения рождаются на фронтах: в момент включения и выключения через транзистор одновременно текут заметный ток и приложено высокое напряжение, потому что канал не успевает открыться или закрыться мгновенно. Эта составляющая линейно растёт с частотой fsw, напряжением и временем переключения. Потери на затвор — энергия, которую драйвер тратит на перезаряд входной ёмкости через заряд Qg; они малы, но тоже пропорциональны частоте и целиком ложатся на цепь драйвера, а не на кристалл ключа.
Баланс между составляющими смещается с частотой. На низкой частоте (десятки килогерц) господствуют потери проводимости, и выигрывает ключ с меньшим Rds(on). На высокой (сотни килогерц и мегагерцы) на первый план выходят потери переключения, и важнее становятся малые Qg и tsw — «быстрый» транзистор. Поэтому у одного и того же корпуса нет однозначно «лучшего» кандидата: выбор зависит от режима.
Точность оценки и что брать из datasheet
Формула переключательных потерь — упрощение: реальная форма фронтов зависит от драйвера, паразитных индуктивностей, заряда обратного восстановления диода и ёмкости Coss. Модель ½·Vds·Id·tsw·fsw даёт разумную оценку сверху, которой достаточно для выбора корпуса и радиатора, но точное число получают только измерением или SPICE-моделью. Rds(on) в datasheet приводят для комнатной температуры и конкретного Vgs — с нагревом канал «дубеет», и при 100 °C сопротивление вырастает в 1,4–1,7 раза, увеличивая потери проводимости. Для запаса считайте Rds(on) по горячему значению. Время tsw берут как сумму t(on) и t(off) либо оценивают по времени нарастания и спада из таблицы динамических параметров.
Как снизить потери и типовые ошибки
Проводимостные потери снижают выбором ключа с меньшим Rds(on) или параллельным включением транзисторов. Переключательные — уменьшением частоты, применением быстрого драйвера с большим током затвора и ключа с малым Qg, а также мягкой коммутацией (ZVS/ZCS). Частая ошибка — гнаться за сверхнизким Rds(on) на высокой частоте: у таких транзисторов обычно велик Qg, и выигрыш проводимости съедается ростом переключательных потерь. Вторая ошибка — забыть про рост Rds(on) с температурой и получить тепловой разгон. Третья — недооценить драйвер: если он не успевает открыть затвор, tsw растягивается и переключательные потери взлетают. После оценки суммарной мощности проверьте нагрев кристалла на калькуляторе температуры кристалла Tj и подберите охлаждение через расчёт радиатора или подбор радиатора.
Вклад составляющих в типовых режимах
Таблица показывает, какая составляющая доминирует в характерных применениях. Цифры ориентировочные, для транзистора среднего класса.
| Режим | Частота | Проводимость | Переключение |
| Реле, медленный ключ | < 1 кГц | почти всё | пренебрежимо |
| Драйвер мотора, ШИМ | 10–30 кГц | доминирует | заметны |
| Понижающий DC-DC | 100–500 кГц | сопоставимы | сопоставимы |
| Высокочастотный SMPS | > 1 МГц | малы | доминируют |
Где применяют — и где не годится
Расчёт применяют при проектировании импульсных источников питания, драйверов двигателей, инверторов, синхронных выпрямителей и мощных ШИМ-регуляторов, а также в обратноходовых преобразователях. Он отвечает на вопросы: выдержит ли ключ ток, нужен ли радиатор, какую частоту можно позволить. Расчёт не годится для линейного режима работы MOSFET (стабилизаторы, аналоговые каскады) — там транзистор постоянно рассеивает Vds·Id и потери считают иначе. Не учитывает он и потери в паразитном диоде при жёсткой коммутации, потери на Coss и токи сквозной проводимости в полумосте — для точного теплового бюджета их добавляют отдельно. Для биполярных ключей смотрите смещение транзистора, а тепловой запас резистивных элементов оценивает дератинг мощности резистора.
Пример
На значениях по умолчанию: Id = 5 А, Rds(on) = 50 мОм, D = 50%, Vds = 48 В, tsw = 50 нс, fsw = 100 кГц, Qg = 20 нКл, Vgs = 10 В. Потери проводимости Pпров = 5² · 0,05 · 0,5 = 25 · 0,05 · 0,5 = 0,625 Вт. Потери переключения Pпер = 0,5 · 48 · 5 · 50·10⁻⁹ · 100 000 = 0,6 Вт. Потери на затвор Pзатв = 20·10⁻⁹ · 10 · 100 000 = 0,02 Вт (виджет покажет 20 мВт). Суммарно Pвсего = 0,625 + 0,6 + 0,02 = 1,245 Вт. Проводимость и переключение здесь почти равны — типичная картина для DC-DC на 100 кГц. Такая мощность ещё не требует громоздкого радиатора, но на печатной плате нужна медная площадка для отвода тепла.
См. также: DC-DC преобразователь · транзисторный ключ · температура кристалла · радиатор · ШИМ · все калькуляторы
|
