开关MOSFET损失解析

分類　一般、 作成　征矢　康徳、　確認　征矢　康徳、　2006年6月27日

概要：

使用AC配适器US25， 对反激转换器中MOSFET漏极・源级间寄生电容开关损失的影响进行解析。

试验结果：寄生电容的放电电流波形从外部无法确认，但发热的影响却很大。

另外，主开关MOSFET的损失可以从Ｖｄｓ、Ｉｄ波形算出。特别是低ＯＮ电阻的MOSFET存在很大误差的可能性很高。

对于各种准电压谐振转换器，EASTERN认为效果较低，但根据寄生电容有利于降低损失的可能性很高。

目　录

１．背景与目的                            P2

    ２．工程                                P5 

    ３．试验结果                            P6

    ４．结论                                P8

    ４．添付文件一覧                            P8 

1．背景与目的

图１．１　US25 开关MOSFET周边

图１．１反激转换的开关MOSFET损失分为导通损失和开关损失｡

MOSFET损失        导通损失

            开关损失

以上的２个损失一般可以在MOSFET电流／电压波形中计算出来。

图１．２ MOSFET等容量

但是从低ON电阻、大电流的MOSFET波形中算出的损失与实际温度上升之有误差。

从温度上升来判断的话，超过算出损失的可能性很高。

此原因可能是MOSFET端子间寄生电容所影响的。

MOSFET端子间寄生电容如图１．２の所示存在于各端子间。

这些容量当中Cds直接影响开关损失。

参考：使用AC适配器US25富士电机製的MOSFET：2SK3502寄生容量值如图１．３所示｡

图１．３　富士电机製　２SK3502 电气的特性

因２SK3502的Crss(Cdg)极小，可以忽略，Coss＝Cdｓ。

2SK3502的Cds    ＝ typ 140pF (max210uF)

2SK2502是TO220, 并不是600V 0.54Ω 10A和特低的ON电阻MOSFET。

因考虑到一般的缓冲器吸收电路容量为100～330ｐF，所以预想会影响开关损失。

图１．４　漏极 源极间的容量

此寄生容量Turn-on时的放电电流会影响MOSFET的损失。从外部测量不到波形。

漏极 、源极间的寄生容量（如图１．４所示）有影响开关电流的可能性（图１．5所示）｡

图１．５　因寄生容量产生不同的漏极电流

图１．５所示的推测:一直以来从开关波形算出的开关损失几乎都是在Turn-off时发生的，实际也会在Turn-on时发生的。

    一直以来                    推测

    从开关波形算出的开关损失几乎            外部看不到波形，开关损失是否都是在

    都是在Turn-oｆｆ时发生的                    Turn-on时发生的呢？                           

图１．６　验证电路

验证：如图１．６に所示，并列连接2个MOSFET，Q2的Turn-on、Turn-off时间稍微比Q1的慢，Q1集中Turn-on时的开关损失，Q2集中Turn-off时的开关损失。

    Turn-on时开关损失：　Q1集中

    Turn-off时开关损失：　Q2集中

此时的发热，以根据测量各部的电流波形来推测损失所发生的要因。

图１．７　Q1、Q2 各部动作波形

    Id(Q1+Q2)

    Q1 ON/OFF

    Q2 ON/OFF

    Id(Q1)

    Id(Q2)

以图１．６的电路来推测Q1、Q２各部电流波形（图１．７所示）｡

通常看不到Id(Q1+Q2)寄生电容流出的电流｡

并列连接Q1和Q2后，错开开关时间就可以看到寄生电容流出的电流。

2．工程

项目所需工时如表２．１所示。工程详细请参照另页：调查工程表。

表２．１　项目所需工时

使用ＡＣ适配器US25,以图１．７的验证电路来测量Ｖｄｓ，Ｉｄ（结果如图３．１所示）。

图３．１　Ｖｄｓ、Ｉｄ波形

　测量结果

　确认了是由于寄生电容影响开关电流。

通常ＭＯＳＦＥＴ Id测量的是Id (Q1+Q2)，

现实Id (Q1)（右侧所示）由于寄生电容

Turn-on时流出大脉冲状开关的电流。

图３．２　Turn-off时 Ｖｄｓ、Ｉｄ波形

Turn-off瞬间扩大的波形如图３．２

所示｡

　测量结果

确认了是由于寄生容量影响开关电流。

通常ＭＯＳＦＥＴ Id能看到的是Id (Q1+Q2)。

如果只能看到此波形的话，那么电压的减少和

增加会同时引起，发生开关损失。

但是，如果看到Id (Q1)的话，为OFF的Q1

也会在同一时间流出电流，这也是寄生电容的

充电电流｡

在Ｑ１，Ｑ２中并列追加电容（如下图）后，变更此电容容量测量Ｑ１，Ｑ２的上升温度。

图３．３　温度测量电路・样品

图３．４　电容追加时温度上升

测量结果如图３．４所示｡

　测量结果

快侧ＭＯＳ发热，容量增加的同时急增。

由于漏极源极间的容量影响发热，

集中快侧ＭＯＳＦＥＴ。

4．结论

主开关ＭＯＳＦＥＴ的发热寄生电容的影响是最大的。特别是使用ＰＦＣ等低ＯＮ电阻（寄生容量大）ＭＯＳＦＥＴ等更显著。

因为此寄生电容流出的电流波形从ＭＯＳＦＥＴ外部是看不到的，所以无法算出损失｡

另外，一般大Turn-off时的开关损失是因为Ｉｄ波形包含寄生电容的充电电流，所以并不一定能算出发生的损失。

从以上来看，ＭＯＳＦＥＴ的寄生电容影响损失是不可以忽视的。另外设计或评价时多少也需作些考虑。

5．添付書類一覧

表５．１　添付書類一覧