ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

เครื่องคำนวณการสูญเสีย MOSFET และขับเกต

ประมาณการสูญเสียการนำและสวิตช์แบบ DC หรือ PWM กำลังขับเกตและกระแสชาร์จ

01

ค่าที่ป้อน

แบบจำลองฮาร์ดสวิตช์เบื้องต้นที่กระแสขณะนำคงที่ ใช้ RDS(on) ตัวคูณอุณหภูมิและ Qg จากดาต้าชีตที่ VGS จริง ไม่รวมการสูญเสียแฝงและไดโอด Qg/t ประมาณกระแสชาร์จเฉลี่ย

02

ผลลัพธ์

ค่าประมาณกำลังสูญเสียทรานซิสเตอร์
—
การสูญเสียการนำ
—
ค่าประมาณการสูญเสียสวิตช์
—
กำลังขับเกต
—
กระแสจ่ายเกตเฉลี่ย
—
ค่าประมาณกระแสชาร์จ
—

สูตร—

ประมาณความร้อน MOSFET และข้อกำหนดขับเกตแยกกัน

ประมาณการสูญเสียขณะนำและขณะสวิตช์ของ MOSFET ที่มีกระแสคงที่ขณะเปิดในโหมด DC หรือ PWM เพิ่มข้อมูลประจุเกตเพื่อประมาณกำลังและกระแสขับเกต แบบจำลองใช้ตัวคูณความต้านทานที่ป้อนและการคำนวณช่วงทับซ้อนของฮาร์ดสวิตชิงอันดับหนึ่ง ไม่รวมการสูญเสียบอดีไดโอด การฟื้นตัวย้อนกลับ การสูญเสียความจุเอาต์พุต การสั่นแฝง และรูปคลื่นกระแสจริงในวงจรเหนี่ยวนำ

ขั้นตอนการใช้งาน

  1. เลือก DC หรือ PWM ป้อนแรงดันสวิตช์ VDS ใน V กระแสขณะเปิดใน A และ RDS(on) ใน mΩ พร้อมตัวคูณความต้านทานตามอุณหภูมิที่เป็นบวก ใช้ความต้านทานที่เหมาะกับแรงดันเกตจริง ช่องแรงดันขับเกตไม่ปรับ RDS(on) ให้อัตโนมัติ
  2. สำหรับ PWM ป้อนเปอร์เซ็นต์ดิวตี ความถี่ใน kHz และเวลาขาขึ้นกับขาลงใน ns ป้อนประจุเกต Qg ใน nC แรงดันขับเกต VGS ใน V และเวลาเป้าหมายชาร์จเกตใน ns ใช้ข้อมูลอุปกรณ์และเงื่อนไขการทำงานที่สอดคล้องกัน
  3. เปรียบเทียบการสูญเสียขณะนำ ขณะสวิตช์ และผลรวมกำลังสูญเสียของทรานซิสเตอร์ ดูกำลังขับเกตและค่าประมาณกระแสทั้งสองแยกกัน ใช้ลิงก์เครื่องคิดเลขความร้อนที่มีเพื่อส่งกำลังสูญเสียทรานซิสเตอร์ แล้วป้อนความต้านทานความร้อนและสภาพแวดล้อมของอุปกรณ์และชุดประกอบนั้น

การตั้งค่าและข้อจำกัด

กระแสขณะเปิดและตัวคูณความต้านทาน
การสูญเสียขณะนำคือกระแสยกกำลังสองคูณ RDS(on) ที่ป้อน ตัวคูณอุณหภูมิ และสัดส่วนดิวตี กระแสเป็นค่าระหว่างช่วงเปิด ไม่ใช่ค่าเฉลี่ย PWM ตัวคูณคูณความต้านทานโดยตรง เครื่องคิดเลขไม่ได้หาค่านี้จากอุณหภูมิหรือคำนวณวนระหว่างการสูญเสียไฟฟ้ากับอุณหภูมิรอยต่อ
การสวิตช์และจุดปลาย PWM
สำหรับ PWM ที่สวิตช์ต่อเนื่อง การสูญเสียช่วงทับซ้อนประมาณครึ่งหนึ่งของผลคูณแรงดันสวิตช์ กระแสขณะเปิด ผลรวมเวลาขาขึ้นกับขาลง และความถี่ เวลาขาขึ้นต้องอยู่ภายในช่วงเปิด และเวลาขาลงต้องอยู่ภายในช่วงปิด ในแบบจำลองนี้ DC และดิวตีที่จุดปลาย 0% หรือ 100% ไม่มีการสูญเสียสวิตช์ต่อเนื่อง
กำลังเกตและกระแสชาร์จ
กำลังขับเกตคือ Qg × VGS × ความถี่ และกระแสจ่ายเกตเฉลี่ยคือ Qg × ความถี่ Qg หารด้วยเวลาเป้าหมายชาร์จประมาณกระแสเฉลี่ยระหว่างชาร์จ ไม่ได้รับประกันกระแสยอดของตัวขับ กำลังขับเกตแสดงแยกและไม่บวกเข้าความร้อนทรานซิสเตอร์ที่ส่งผ่านลิงก์

ตัวอย่างการใช้งาน

เลือก PWM ที่ 12 V กระแสขณะเปิด 5 A, RDS(on) 20 mΩ ตัวคูณความต้านทาน 1.5 ดิวตี 50% และ 20 kHz ใช้เวลาขาขึ้นกับขาลง 30 ns, Qg = 25 nC, VGS = 10 V และเวลาชาร์จ 100 ns ความต้านทานที่มีผลคือ 30 mΩ

ผลลัพธ์ที่คาดหวัง
fDPcondPswPFETPgate
20 kHz50%0.375 W0.036 W0.411 W0.005 W
100 kHz50%0.375 W0.18 W0.555 W0.025 W
DC100%0.75 W0 W0.75 W0 W

การสูญเสียขณะนำคือ 0.375 W และขณะสวิตช์ 0.036 W รวมความร้อนทรานซิสเตอร์ 0.411 W กำลังขับเกตคือ 0.005 W กระแสจ่ายเกตเฉลี่ย 0.5 mA และค่าประมาณกระแสชาร์จ 0.25 A เพิ่มเฉพาะความถี่เป็น 100 kHz จะเพิ่มความร้อนทรานซิสเตอร์เป็น 0.555 W และกำลังขับเกตเป็น 0.025 W โดยการสูญเสียขณะนำคงเดิม

คำถามและการแก้ปัญหา

ใช้กระแสโหลดเฉลี่ยเป็นอินพุตกระแส PWM ได้หรือไม่?

สมการต้องการกระแสคงที่ขณะเปิดและใช้ดิวตีแยกต่างหาก หากป้อนกระแสที่เฉลี่ยตามดิวตีแล้ว แบบจำลองจะลดกระแสซ้ำและประเมินการสูญเสียขณะนำต่ำเกินไป กระแสริปเปิลหรือกระแสแปรผันต้องใช้การคำนวณกระแส RMS หรือรูปคลื่นที่เหมาะสมนอกเครื่องมือนี้

เหตุใดกำลังขับเกตจึงเป็นศูนย์เมื่อดิวตีเต็ม?

แบบจำลองถือว่าดิวตีเต็มคือเปิดตลอดโดยไม่มีรอบชาร์จซ้ำ และดิวตีศูนย์คือปิดตลอด ไม่รวมการชาร์จตอนเริ่มต้นและกระแสรั่ว การตรวจสอบเวลาเปลี่ยนสถานะใช้เฉพาะเมื่อดิวตีอยู่ระหว่างจุดปลายทั้งสองโดยไม่รวมจุดปลาย

ผลการสูญเสียต่ำพิสูจน์ว่า MOSFET หรือตัวขับเหมาะสมหรือไม่?

ตรวจพิกัดแรงดันและกระแส พื้นที่ทำงานปลอดภัย ขีดจำกัดแรงดันเกต ความสามารถตัวขับ และสภาวะความร้อนของชิ้นส่วนจริง ค่าประมาณขึ้นกับความต้านทาน ประจุเกต และเวลาสวิตช์ที่ให้ การสูญเสียต่ำตามแบบจำลองไม่ได้ยืนยันขีดจำกัดเฉพาะอุปกรณ์เหล่านั้น