الكهرباء والإلكترونيات

حاسبة خسائر MOSFET وقيادة البوابة

قدّر خسائر التوصيل والتبديل في DC أو PWM وقدرة قيادة البوابة وتيار شحنها.

قيم الإدخال

النتائج

تبديد الترانزستور المقدر: —

خسارة التوصيل: —

خسارة التبديل المقدرة: —

قدرة قيادة البوابة: —

متوسط تيار تغذية البوابة: —

تيار الشحن المقدر: —

المعادلة—

قدّر حرارة MOSFET ومتطلبات قيادة البوابة بصورة منفصلة

قدّر فقد التوصيل والتبديل في MOSFET يحمل تياراً ثابتاً في حالة التوصيل أثناء تشغيل DC أو PWM. أضف بيانات شحنة البوابة لتقدير قدرة قيادة البوابة وتيارها. يطبق النموذج معامل المقاومة الذي تدخله وحساباً من الدرجة الأولى لتداخل الجهد والتيار عند التبديل الصلب. لا يشمل فقد ديود الجسم أو الاستعادة العكسية أو فقد سعة الخرج أو التذبذبات الطفيلية أو شكل التيار الفعلي في دائرة حثية.

خطوة بخطوة

اختر DC أو PWM. أدخل الجهد الذي يجري تبديله VDS بوحدة V، وتيار حالة التوصيل بوحدة A، و RDS(on) بوحدة mΩ، ومعاملاً موجباً لتغير المقاومة مع الحرارة. استخدم مقاومة مناسبة لجهد البوابة الفعلي؛ لا يصحح حقل جهد قيادة البوابة RDS(on) تلقائياً.
للتشغيل PWM، أدخل نسبة التشغيل المئوية والتردد بوحدة kHz وزمني الصعود والهبوط بوحدة ns. أدخل شحنة البوابة Qg بوحدة nC، وجهد قيادة البوابة VGS بوحدة V، وزمن شحن البوابة المستهدف بوحدة ns. استخدم بيانات متوافقة للجهاز وظروف التشغيل.
قارن فقد التوصيل وفقد التبديل ومجموعهما بوصفه القدرة المتبددة في الترانزستور. راجع قدرة قيادة البوابة وتقديري التيار بصورة منفصلة. استخدم رابط الحاسبة الحرارية الموجود لنقل القدرة المتبددة في الترانزستور، ثم أدخل المقاومات الحرارية وظروف المحيط لذلك الجهاز وتجميعه.

الإعدادات والحدود

تيار التوصيل ومعامل المقاومة: فقد التوصيل هو مربع التيار مضروباً في RDS(on) المدخل ومعامل الحرارة وكسر نسبة التشغيل. التيار هو قيمته أثناء فترة التوصيل، وليس متوسط PWM. يضرب المعامل المقاومة مباشرة؛ ولا تحدده الحاسبة من درجة الحرارة أو تجري حساباً تكرارياً بين الفقد الكهربائي ودرجة حرارة الوصلة.
التبديل ونهايتا نطاق PWM: في PWM الذي يتبدل باستمرار، يساوي فقد التداخل تقريباً نصف حاصل ضرب الجهد الذي يجري تبديله وتيار التوصيل ومجموع زمني الصعود والهبوط والتردد. يجب أن يتسع زمن التوصيل لزمن الصعود وزمن الإيقاف لزمن الهبوط. لا يوجد في هذا النموذج فقد تبديل مستمر عند DC أو عند نهايتي نسبة التشغيل 0% أو 100%.
قدرة البوابة وتيار الشحن: قدرة قيادة البوابة هي Qg × VGS × التردد، ومتوسط تيار تغذية البوابة هو Qg × التردد. قسمة Qg على زمن الشحن المستهدف تقدّر متوسط التيار أثناء الشحن، وليس تيار قمة مضموناً من الدارة القائدة. تُعرض قدرة قيادة البوابة بصورة منفصلة ولا تُضاف إلى حرارة الترانزستور المنقولة عبر الرابط.

مثال تطبيقي

اختر PWM مع 12 V وتيار توصيل 5 A و RDS(on) بقيمة 20 mΩ ومعامل مقاومة 1.5 ونسبة تشغيل 50% وتردد 20 kHz. استخدم زمنَي صعود وهبوط مقدارهما 30 ns و Qg = 25 nC و VGS = 10 V وزمن شحن 100 ns. تكون المقاومة الفعالة 30 mΩ.

النتيجة المتوقعة
f	D	Pcond	Psw	PFET	Pgate
20 kHz	50%	0.375 W	0.036 W	0.411 W	0.005 W
100 kHz	50%	0.375 W	0.18 W	0.555 W	0.025 W
DC	100%	0.75 W	0 W	0.75 W	0 W

فقد التوصيل 0.375 W وفقد التبديل 0.036 W، فتكون حرارة الترانزستور 0.411 W. قدرة قيادة البوابة 0.005 W ومتوسط تيار تغذية البوابة 0.5 mA وتقدير تيار الشحن 0.25 A. رفع التردد وحده إلى 100 kHz يرفع حرارة الترانزستور إلى 0.555 W وقدرة قيادة البوابة إلى 0.025 W؛ ولا يتغير فقد التوصيل.

الأسئلة وحل المشكلات

هل يمكنني استخدام متوسط تيار الحمل كمدخل تيار PWM؟

تتوقع المعادلة تياراً ثابتاً في حالة التوصيل وتطبق نسبة التشغيل بصورة منفصلة. إدخال تيار متوسط محسوب وفق نسبة التشغيل سيخفض ذلك التيار مجدداً داخل النموذج، فيقلل تقدير فقد التوصيل. يحتاج التموج أو تغير التيار إلى حساب مناسب لتيار RMS أو حساب يعتمد على شكل الموجة خارج هذه الأداة.

لماذا تكون قدرة قيادة البوابة صفراً عند نسبة التشغيل الكاملة؟

يتعامل النموذج مع نسبة التشغيل الكاملة بوصفها توصيلاً مستمراً بلا دورات شحن متكررة، ومع النسبة الصفرية بوصفها إيقافاً مستمراً. لا يشمل شحن بدء التشغيل والتسرب. لا يُطبق التحقق من زمن الانتقال إلا عندما تقع نسبة التشغيل حصراً بين النهايتين.

هل تثبت نتيجة فقد صغيرة ملاءمة MOSFET أو الدارة القائدة؟

تحقق من حدود الجهد والتيار ومنطقة التشغيل الآمن وحدود جهد البوابة وقدرة الدارة القائدة والظروف الحرارية للأجزاء الفعلية. تعتمد التقديرات على المقاومة وشحنة البوابة وأزمنة التبديل المقدمة؛ ولا يثبت الفقد المنخفض في النموذج تحقق هذه الحدود الخاصة بالجهاز.