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【龙腾原创】跟庄主一起读论文-关于MOSFET的开关损耗计算分析

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胡庄主
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  • 2014-6-21 22:03:40
凑个热闹,也发个贴,一来跟网友分享一些近期学习所得,二来支持一下21电源网及龙腾公司的壮举。
技术经历和感悟的东西就不多谈了,论坛上这方面的内容已足够大家学习,另外,稍有些意思的东西往往与公司项目有关, 不便多说,所以只能分享些其它的东西。
今天冒雨参加21电源网在上海的研讨会,下午四点才到,错失了许多,却赶上了陈老师的演讲,内容且不谈,感悟较深的是陈老师最后的总结,大意就是:把问题背后的理论搞清楚,其它只是表象。
基于此,加上近几个月一直抽空读一些关于功率MOSFET的开关损耗及反向恢复的论文,有些小小的收获,独乐乐不如众乐乐,分享一下。
考虑到坛子中不少兄弟英语不是太溜,或者没时间读长篇大论,所以兄弟我就再奉献一下自己,统统翻译成中文,并整理成PPT。所以对大家来说,一篇要花半天才能通读一遍的文章,现在只要几分钟就可清楚明了,继而一闪而过,或者粗读浏览,或者细细咀嚼。
所选的文章都是我浏览过的文献中挑选出来的,基本来源于IEEE文献及半导体公司的应用文章。人云亦云,乱七八糟的尽量过滤掉,毕竟兄弟翻译整理一篇文章也是要些时间的。
争取一周发2篇,中,英文都上传,反映热烈我就少看场球,多整一些,我也多学一点。
希望对大家能有所帮助。

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胡庄主
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  • 2014-6-21 22:15:30
 
TI-Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits
从TI的Laszlo Balogh这篇经典AN开始,这篇文献举例说明了对于高速开关应用设计高性能门极驱动电路的系统方法. 对于解决大多数设计中遇到的挑战来说也提供了许多 one-stop-shopping式的主题的汇集.因此,对于所有层次的电子工程师来说都具有意义.
最流行的电路解决方案和它们的性能被分析,包括寄生参数的影响,暂态和极端条件下的运行条件.针对MOSFET技术和开关运行从简单到复杂进行一步步地讨论. 对接地的设计技术,high side门极驱动电路,AC耦合以及变压器绝缘方法等进行了详细的描述. 对于同步整流应用的MOSFETs驱动需求专门也开辟章节进行分析.
总之,很经典,很有料,我看到了许多谈开关损耗的文章都引用了这篇文献。
TI_Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits.pdf
TI_Design And Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits-中文版.pdf

yaoleianhui
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LV6
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  • 2020-4-15 15:00:11
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aaa1.PNG

庄主,上面公式怎么推导得到的?
胡庄主
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  • 2014-6-21 22:44:11
 
再谈几句电源中MOSFET损耗及至反向恢复等。
瞎搞电源多年,还没遇到一个敢说能把这个算清楚,且在实际应用中算的。
特别是开关损耗,只谈器件本身,大大小小总有十几个寄生参数,令人痛苦的是,这些参数有些相互耦合,且多是非线性的,而且好多与应用工作条件有关,麻烦之所在。
常在坛子里看有些兄弟说管子热得不行了,这只是开始,做些要求不高的电源不烧也就算了,如果设计要求高的电源,等到调试时出现这些问题,这个项目基本就废了。项目不废,老板也会把人废了。
怎么办?只好前期理论设计多用功,用mathcad多算算。
怎么算?这就要多读些文章,练练内功了。
eric.wentx
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  • 2014-6-22 09:27:20
 
铁板牛柳
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  • 2014-6-22 14:40:48
 
这个一般也就算个数量级了,真要细究那就太难了= =
垦丁太鲁阁
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高级工程师
  • 2014-6-22 16:26:47
 
看来庄主要复出了陈为老师还讲了句经典的:原理知道了,就会有很多想法!




这段时间看球,周末通下宵,一个星期恢复不过来!
admin
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管理员
  • 2014-6-22 20:17:25
 
必须顶顶,感谢庄主,花大量的时间准备此帖!!!
learn-led
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  • 2014-6-23 12:04:04
 
我頂
心囚蓝魔
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LV8
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  • 2014-6-23 12:58:24
 
自己整理的东西能够拿出来与大家分享,很感谢庄主!辛苦了!加分!球和文章都不能少!哈哈
胡庄主
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  • 2014-6-23 20:31:04
 
IEEE - Analytical Loss Model of Power MOSFET

此文发表于2006年的IEEE电力电子杂志,来自于CPES,基本上被近年来每一篇谈及MOSFET 损耗的文章所引用,至少我是这么发现的,而且在我们自己所用的用于计算损耗的mathcad文件中也借鉴了其中的一些主要思路。
此文提供了一种精确的解析模型来计算MOSFET的功率损耗,包括了器件上的寄生电容,寄生电感,比如牵涉到功率级和驱动环路的源极电感,而且寄生电容,漏极电感等的非性线在电路中被考虑.另外,开关电源中经常看到的振铃(ringing)也被考虑,而在传统的LOSS模型中这一点被忽略。且在文中,振铃损耗基于一个清晰的物理方法被分析。基于这个模型,电路功耗能够被较准确地预测.
庄主认为本文给出了传统简化计算方法所忽略或简化的寄生参数考量,而且其提出的解析方法只要花点时间就能自己用起来。至少,在开关损耗这一块,我们距真理更近了一步。

Analytical Loss Model of Power MOSFET.pdf
IEEE_Analytical Loss Model of Power MOSFET_中文PPT.pdf
bei_jxing
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  • 2014-6-23 20:45:02
 
可以搭建一个小平台,比如双脉冲测试平台,用示波器积分功能测试器件的开关损耗;
对每一家的器件逐一测试对比,简单高效。
一川
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  • 2014-6-23 21:02:13
 
下下来看看
艾青
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  • 2014-6-24 10:17:30
 
过来捧捧场。资料不错。得空看看。复习复习
qq169
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  • 2014-6-24 15:33:25
 
此贴必火,庄主这个翻译加上注解对大家学习帮助不小,支持!

shaxiangbiao
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  • 2014-6-24 16:56:26
 
一直没见过庄主本人,仰慕之至啊,有一回去深圳infineon拜访,见过那边的一个FAE,据说就是论坛里的斜阳古道,就是没见过庄主本人,有一回问我的一个朋友梁James(小国),他说在台达的时候,你就是文艺青年,经常在报纸上发表文章,^_^。
胡庄主
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  • 2014-6-24 21:35:21
 
A Practical Switching Loss Model for Buck Voltage Regulators
被世界杯折腾的,感了个冒,但还是要上班混饭,实在没时间整理出完整的PPT,只能在线处理着,待以后再收集整理出来。
今天接着谈两篇大同小异的文献,作者是Wilson Eberle等人,以加拿大的Queen’s Power Group为基地,类似的文章陆续写了不少,特点是对开关损耗模型总结的比较全面,图文并茂,不仅有一定的实用性,而且对于理解开关过程的内部机理也大有裨益。
先上传这两篇文献的英文原版,后面再在线总结。

A Simple Analytical Switching Loss Model for Buck Voltage Regulators.pdf
A Practical Switching Loss Model for Buck Voltage Regulators.pdf
胡庄主
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  • 2014-6-24 21:47:24
 
两篇文章基本上90%的内容相同,部分有别的地方后面会介绍。
文章回顾了同步整流电压调整器(VRs)的开关损耗机制,然后介绍了一个新的简单而准确的分析开关损耗的模型,这个模型包括了共源极,及开关寄生电感对损耗的影响。用这个模型号称能以简单的方程来计算上升及下降时间,分段线性近似上管电压和电流波形,以进行快速及准确的开关损耗计算。最后用一个仿真程序(SPICE仿真)用来例证工作于1-MHz同步Buck VR的电源源驱动器的准确性,12Vin, 1.3Vout。
不过一般情况下我对示例不感兴趣,因为没有源文件印证,结果显示的总是好的。
此文首先引用了我前面发过的TI seminar的那篇经典之作,基于分段线性模型的,
Design and application guide for high speed MOSFET gate drive circuits ,用这个模型可以简单而快速地评估开关损耗,但是,缺陷是忽略了由于寄生电感导致的开关损耗。这个模型预测开通/关断损耗差不多近似。然而,在实际的高频转换器工作中极其不实用,因为由于寄生电感的存在,关断损耗往往比开通损耗大很多。

要想得到合适的开关损耗模型,需详细理解MOS门级电容,共源电感,及其它寄生电感的影响,以及负载电流的大小。这些可以通过仿真和实验,及仔细分析波形来获得。
胡庄主
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  • 2014-6-24 22:03:32
 
文章首先谈寄生电感和负载电流的影响。

1显示了一个同步BUCK 转换器。众所周知,Vin, Iout,及上管(HS)gd电荷影响着上管的开关损耗。另外,器件封装电感和PWB走线也影响其损耗。另外需注意的是同步整流(SR)开关损耗则差不多为0.

1包括了HSSRGate, Drain寄生电感,可以假定它们的Source电感Ls1,Ls2对各自的驱动信号来说是共同(common)的,其它非共同的S级电感则可以集总到Drain极电感,Ld1,Ld2. 对高频VR来说,这些电感会严重影响他们的开关行为。

在开关过程中,HS工作于饱和(线性)模式,象一个受控(dependent)电流源,电流流过,两端有压差。在开通关断过程中,Vgs1被由穿过共源电感 的电压V_Ls1等形成的反馈机制来hold在平台电压Vp1,忽略MOS的门级内部阻抗,则可得


2显示了针对12Vin, 30A Iout,8V 驱动电压,Freq=1MHzbuck VR的仿真波形。上面的曲线是上管电流Ids1及实际的DS电压Vds1.
中间曲线是实际的Vgs1和实测到的Vgs1(=Vgs1+V_Ls1)波形 ,用来说明在实验室实测到的Vgs1提供了不准确的开关时间。下面曲线显示了MOS的功耗,P_M1(Vds1*Ids1).半导体制造商一般会提供常见封装的寄生电感值,范围从250pH—1nH,取决于封装形式。本仿真中的4个电感都设为500nH.
如图示,开通时,上管电流增加,在标识的方向上V_Ls1为正,Vcc减去这个电压则为MOS的门级电压,使得Vgs1=Vp1,MOS工作于饱和模式时.同时,4个寄生电感则体现出对电流变化的阻碍作用,实质上减少了开通损耗,起到差不多ZCS开通的效果。在这个转换过程中,上升时间Tr取决于门极驱动器对MOS门极电容的充电能力(CissVthVp1, CgdVin),定义为从Vds1下降到0的时间。
然后,假定这个时间独立于Ids1上升到最终值(=buck 电感电流)的时间,则在Tr后,Ids1还是会小于buck电感电流。

在关断时候,上管电流下降,V_Ls1在标识方向上为负,so低阻抗的源级电压(理想为0)减去这个电压施加于门级,使是当MOS在饱和模式下Vgs1=Vp1.在这个转换过程中,下降时间Tf定义为上管电流从等于buck电感电流下降到0的时间。这个时间取决于驱动器对门级电容放电的能力(CgdVin, CissVp1Vth),以及4个寄生电感,寄生电感通过限制Dids/Dt,延长了从Ids1下降到0的时间。

如前段所提,MOS及线路寄生电感对开通,关断产生完全不同的影响。在开通过程,电感阻碍电流变化(snubbing effect),降低于开通损耗。在关断时,电感因延长Tf而增加了关断损耗。另外,当负载电流变大时,Tf也会增加,所以关断损耗也会与输出电流的平方按比例增加(proportional to Io and Tf(Io)).作为对比,负载电流的变化对开通时间Tr基本上没有影响,因为,在真正的电路里,关断损耗总是远大于开通损耗,图2的曲线也验证了这一点。

另外,对图12来说重要的一点是,在实际电路中,表贴封装电感分布于MOS的内部。因此,用探头量测时,测到的只是上管的g1,s1’,d1’及下管的g2,s2’,d2’。然而,针对开关损耗的实际节点是量测不到的MOS内部的s1,d1.使用测出来的Vgs稳定电压部分来得到开关损耗的时间是不正确的,既然 Ls1上的感应电压也被包括进去了。用探头观察Vgs1’,可能几乎看不到Tr,以及可能比真正关断时间小一半的Tf。真正的电路中无法测出实际的Vgs1波形,却清楚地显示出了在上升/下降时间的稳定部分。

为说明负载电流和共源电感(common source)的影响,减少Freq200KHz,并且把MOS的共源处的连线割开并插入一根线来测试MOS电流。测试波形如图34所示,负载电流从0加到5A. 用这种方法,插入线的电感(大约20nH)比起封装的电感(1nH)会大很多,因此封装电感可以忽略不记,得以可以认为测出的Vgs1,Vds1是真实的。从测试波形看,Iout0A增加到5ATr差不多没变(20nSà22nS),但是Tf增加非常明显,从48nSà96nS. 另外,保持电流5A不变,如图5所示,增加Ls130nH(使用更长的3-in线) Tr22nSà26nS,变化不大,但是Tf96nSà160nS,增加明显。需注意的是图3-5,关断时候的Vds1上升显得陡峭,差不多成直角了,这是由于时间轴的关系,其实际中上升还是呈三角形的,如图6所示


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胡庄主
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  • 2014-6-25 21:26:18
 
继续昨天的整起,
基于理论分析和实验结果,可得到以下3个结论:

a)实际的同步Buck VR, 关断损耗远大于开通损耗,因为电路电感提供了current sunbbing 影响,降低或消除了开通损耗,但通过延长Tf而增大了关断损耗。

另外,电感纹波电流的特性导致在开通时降低了电流,在关断时增加了电流,会进一步减少开通损耗,而增加关断损耗

b)Tr取决于电压下降到0的时间,与最终电流无关。另外,负载电流的大小对Tr也影响不大,共源电感对其影响也很小,因为当Ls1增加时,DIds/dT也下降了。

c)Tf取决于电流下降到0的时间。负载电流,共源电感,及其它电路寄生电感(i.e. Ld1,Ld2, Ls2)都会导致Tf的增加。

另外模型中会应用到MOS的寄生电容,下面1-3式中显示的是使用有效值的估计算式(附录1),利用Datasheet中定义的Vds1_spec, Crss1_spec, and Ciss1_spec在附录2-4中,上管的Cds1电容被忽略,既然其对开关损耗的影响很小,却造成模型的复杂性增加许多。


liu889
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  • 2014-6-27 17:30:47
 
我们很热烈!!!支持庄主。
胡庄主
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  • 2014-6-27 20:34:02
 
开始进入关键时刻,接下介绍开通损耗的模型和计算公式:
7显示了分段线性开通波形,包括Ids1, Vds1, Vgs1, M1, PM1通过定义,Pon可以式4的简单积分式来推导出来,代表着一个开关周期内的平均功耗





4中功耗是Vin, Ion, fs,Tr的乘积。 开通电流是上管的Vds1=0时的Drain电流。准确预测Pon的两个关键参数是Ion, Tr。下面将介绍如何计算之。

Tr取决于门级驱动能力(对MOS的门级电容充电),也就是Vds1下降到0的时间。假定其独立于Ids1上升到最终值的时间。基于这个假设,Tr包括了两个时间段,T1r, T2r,下面将分别讨论。

1)上升时间T1r:对门级电容Cgs1,Cgd1充电。



上管T1r时间段的等效电路如图8示。Rr代表驱动回路的全部阻抗,i.e., Rr= Rhi + Rext + Rg , Rhi driver switch阻抗, Rext 是一些外部阻抗,Rg代表MOS的内部门级阻抗。

T1r期间,当gate side of Cgd1 Vth充电到Vpl_on时,Cgs1电容从Vth被充电到Vpl_onthe drain side of the Cgd1电容从Vin放电到V1r. 因此,Cgd1T1r阶段的电压的改变为[(Vin − V1r) + (Vpl ON − Vth )]. 如式5,假定Iglr为均匀的门级充电电流。


Vpl
ON代表开通时的平台电压,如式6, 此处ΔiLf代表输出电感纹波电流。既然开通时候的MOS峰值电流低于关断时候, 开通时的平台电压也会轻微地异于关断时刻。



T1r
期间的Vds1电压为式7,此处Lloop=Ls1+Ld1+Ls1+Ld2.

7中的电流变化率在式8中定义,基于T1r期间GS电压波形分段线性的近似。

使用式8,可以得出中间值V1r.



9a显示了T1r阶段的驱动等效电路,GS电压显示在图9b。在此时间段内,假定Vgs1是平台电压Vpl_on及门槛电压Vth的平均值。另外,在此模型中,Drain电流的斜率假定不变,因此,电压Vls1 = Ls1Δids/Δt 也不变,从而Ls1电感可以用理想电压源替代。

使用线性化的Vgs1波形,T1r期间平均门级电流可推导为式10.使用式5910T1r,得式11此处Vgs1r = 0.5(Vpl_ON + Vth ),











胡庄主
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  • 2014-6-27 20:39:58
 
2) 上升时间T2r : 对上管的Cgd1进行充电
上管在T2r段的等效模型中如图10示。在T2r段,当Cgd1Drain节点被Ig2r放电的时候,Cgd1电容的门级电压保持固定在Vpl_on,可推导T2r如式12.
T2r段的驱动器等效电路如图11a示,GS电压波形如图11b示。

由于假定Δids/Δt不变,Ls1可用一个理想的电压源来替代,在此假设下,门级电流中推导 为式13.

基于式91213可解出T2r,如式14.

则完整 TrT1r,T2r之和,如式15所示。



根据上述公式,则可以求解出整个的开通时间。
胡庄主
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  • 2014-6-29 22:05:28
 
又是一个周末,吃饭睡觉,看球踢球,但学习也得进行。
看看电磁场理论,理一理开通关断损耗,倒也充实..... 继续关断损耗。实际中关断损耗远大于开通损耗,所以也更为重要。
B. Turn-Off Switching Loss Model
图13显示了分段线性关断波形,包括Ids1, Vds1, Vgs1, M1, PM1。关断过程包括了2个部分:T1f,T2f.
通过定义,Pon可以式4的简单积分式来推导出来,代表着一个开关周期内的平均功耗。 在T1f,当Vgs1保持在Vpl_off, Miller电容Cgd1 放电,假定Ids1保持不变。
在理想电路中,要注意的是Ids1在T1f时段开始下降,然而,由于SR的电容Cgd2,Cds2放电,其电流斜率被限制。在这个时间段,Vds1从0增加到Vin。因此,从几何学来看,关断时间的损耗P1off可定义为式18.
在T2f阶段,Cgs1从Vpl_off放电到Vth, 于此同时,Cgd1的gate node也会从Vpl_off放电到Vth, Cgd1的drain node 从Vin充电到关断的峰值电压Vp.利用简单的积分表达式,关断损耗可表示为式19.
全部的关断损耗可表示为式20.

准确预测关断损耗的关键参数是上管关断电流Ioff, T1f,T2f, 峰值过冲电压Vds1, Vp. 关断电流等于负载电流Io加上一半的滤滤电感P-P纹波电流ΔiLf,如式21示。
关断的平台电压 Vpl_off如式22示, 它与Vpl_on有细微的差别,由于关断过程中更大的开关电流。 式20所示的方程是Tf的函数。
在Tf过程中,电流从Ioff下降到0,Vds1从0上升到Vp.其为驱动器对Cgd1,Ciss1放电能力的函数,但是另外,也是限制电流下降斜率的寄生电感的函数,因此,下降时间
1)T1f(上管门级电容Cgd1放电):上管在T1f阶段的等效电路如图14示。既然Ids1在Ioff时保持不变(同样出现在图13), Δids/Δt = 0,所以寄生电感可以忽略不考虑。变量T1f是电容Cgd1通过电流Ig1f放电所需的时间,可定义为式23.
T1f期间驱动器等效电路如图15a所示,其GS电压波形如图15b所示。在此期间,假定Vgs1保持 不变在Vpl_off. 基于此假设,可以容易地推导出门级电流,如式24示。此处Rf = Rlo + Rext + Rg,Vpl_off 如式22示。

基于式23,24,可推得T1f如式25.




胡庄主
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  • 2014-6-29 22:08:04
 
2)T2f(电流下降,上管门级电容Cgs1,Cgd1放电):上管在T2f阶段的等效电路如图16示。在T2f期间,Cgs1被放电,从Vpl_off到Vth,此时Drain side of Cgd1电容电压从Vin上升到Vp, 在gate side of Cgd1则放电从Vpl_off到Vth.因此,在T2f期间Cgd1两端电压变化量为[(Vp Vin) + (Vpl OFF Vth )],则T2f可定义为式26,此处ΔV gsf = Vpl OFF Vth T2f期间DS电压可定义为式27,此处Lloop = Ls1 + Ld1 + Ls2 + Ld2参考式8中的近似方法,可得峰值电压Vp为式28.
T2f期间 驱动器等效电路如图17a所示,GS电压如图17b.在此期间,假定Vgs1为平台电压Vpl_off和Vth的平均值。
如前所述,Ls1电感可用一个理想电压源来替代,此时dids/dt 被假定为常量gf sΔVgsf /T2f .
基于这些假设,T2f期间的平均门级电流,使用线性化的Vgs1,可推导如式29。用式26,28,29解T2f,可得式30,此处Vgs2f = 0.5(Vpl OFF + Vth )。Tf为T1f,T2f之和,如式31所示。整个的关断损耗可用式18-22,25,28,30,31来计算出来。




胡庄主
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把零散的内容整理成PPT形式,如下:
A Practical Switching Loss Model for Buck Voltage Regulators.pdf
black_cheung
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我也不看世界杯了,只看胡工的译文。
胡庄主
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  • 2014-7-3 22:19:00
 
看来大家对纯理论的东西不是太感兴趣,或者暂时还没感觉到兴趣。
不过没关系,在学习整理的过程中至少对自己有很大的感悟,顺便也就分享一下了。
今天分享一个AOS公司的关于开关损耗的AN,我整理成了PPT。
内容不是太深刻,不过基本的概念都有了,可能更易于用于实际。
AOS_理解功率MOSFET的开关损耗.pdf
txtxtxtx
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LV12
专家
  • 2016-12-7 22:02:26
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请问下庄主,这篇论文的原文有吗?能否上传或者告知文章名字?万分感谢!
胡庄主
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  • 2016-12-28 10:32:10
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没有,这个东东原来就是AOS FAE直接发过来的中文版。
MaDfly
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LV2
本网技师
  • 2014-7-5 22:36:39
 
这个要顶一下,佩服!整理资料感觉很费时间,特别还整理的这么好的,实属不易!
庄主应该是管理人员了,居然还有着对技术细节的那份热枕,值得我们这些菜鸟深思。
胡庄主
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  • 2014-7-11 11:53:08
 
先插播个新闻,近日公司球队参加整个公司的内部联赛,9个队,我队毫无争议的夺冠。
作为球队的一员,参加全部比赛,司职后腰,自命中场搅史棍,但是被搅的双方不乐意,遂改称中场搅肉机,俗称清道夫。

继续理论探索。接下来看的是一篇来自安森美的文章,相比IEEE的高端大气弄不懂,这个要接地气一些,而且涉及的范围也窄一些。先上原文,晚上没事转中文。

Onsemi_Optimizing Low Side Gate Resistance for Damping Phase Node Ringing of Synchronous Buck Converter.pdf

July 14: 仔细看了一下,发觉没太多意思,所以罢了,还是看Infineon.
Bodoni
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总工程师
  • 2014-7-13 13:58:57
 
高端大气上档次,理论与实际缺一不可
胡庄主
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  • 2014-7-14 18:11:36
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism。
开始研究Infineon. 英飞凌这些年管子做得好,自然少不了技术上的领先。所以在它的网站上,总能搜到好东西,上文只是一例。
Infineon_Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power loss Mechanism.pdf
胡庄主
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  • 2014-7-14 18:15:00
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism

分析从某个开关状态开始:门级电压高电平,DS电压差不多为0,电流从S流向D

1处,门级关断。此处可看到Vds 波形显示稍微为负,由于门级电容Cg放电造成。此放电过程在MOSS极连接处产生一个具有高Di/Dt的电流峰值,由式1,此处S极的电感会在DS波形上产生一个电压降。在2阶段,MOS沟道关断,但由于输出电感作用,电流仍然会继续流动,这将导致电流换流到MOS的体二极管,进而导致在开关上产生一个负压降Vd

由图2此时间点标示为td.3,原边动作后,电流开始下降

果原边MOS的开关速度非常快,换流会被副边环路电感所限制,导致一个恒定di/dt在此阶tramp因为MOSS极电感导致的电压降能够在DS波形上看到,现在由于负di/dt 为正向电流4穿0,没有电流流过体二极管

因此,二极管正向压降变0导致在Vds形上看出进一步的正压降,其值为体二极管的正向压降Ud。




过0后电流保持同样的di/dt继续流动。

但是现在电流方向为负,以移去体二极管的反向恢复电荷Qrr,并对MOS的输出电容Coss充电。在此情况下,Qrr认为只是MOS体二极管的反向恢复电荷,

此处规格书上的Qrr按照JEDEC标准被测出,因此包括除体二极管Qrr外,还有一部分输出电荷Qoss(后详解)。

Coss被充电时,MOS上电压开始趋向变压器电压上升。在5最大反向电流Irev_peak到达,这意味着Coss被充电到变压器电压。

理想的系统应是稳定的,但仍旧会有能量贮存在系统内,定义为式2.


胡庄主
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  • 2014-7-14 18:18:41
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism

此感性能量现在被触发成LC振荡,强迫贮存在Lstray中的能量转移到MOS的输出电容上,因此产生关断电压spike。

如图3,LC电路由变压器电感,layout,及MOS封装构成。振荡频率如式3,同时被环路中的寄生阻抗阻尼(Lstray=Lsource+Ldrain+Lpcb+Ltransformer).

被讨论的波形形状仅在副边换流被感性限制时才有效。这意味着,di/dt不被原边MOS的开关速度所限制,而是被副边的寄生电感限制。



待续............
我现在
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初级工程师
  • 2014-7-15 11:07:26
 
学习中,感谢!
胡庄主
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  • 2014-7-16 22:01:04
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism --继续

建立功耗模型

SR MOS关断时,输出电荷Qoss及反向恢复电荷Qrr也会产生损耗,可由一个简单的关断模型(图4)来推导出公式来。

基于如下简化,一个三角波形状的电流波形和一个固定的MOS输出电容,关断损耗可以被计算。

如果电流换流被感性限制,其实是大多数应用情况,则可假定电流波形类似于三角波形状。

为计算一定的变压器电压Ut条件下的MOS固定的输出电容,输出电容Coss的时变非线性特征需清楚如式7.


胡庄主
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  • 2014-7-16 22:03:31
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism --继续
为计算关断损耗,首先反向电流峰值Irev_peak需固定为式8. Di/dt可使用变压器电压和电流换流环路的电感来计算,如式9.开关电荷Qsw=Qoss+Qrr可计算为式10.从这些推导可计算出感性开关能量如式11.
t_lpeak时刻,一个感性能量被贮存在寄生电感中,一容性能量贮存在Coss中,则能量损耗可计算为式12.
能量然后被转移到MOS的输出电容上(如图4),产生电压应力,之后被LC振荡电路上的阻性部分所消耗(图16处)。最终,关断损耗推导为式13.

此计算的准确性取决于MOS的开关行为,必须确认没有二阶影响,比如动态开机或雪崩发生,而且...硬开关。一些谐振软开关拓扑可能会是不同的结果。


胡庄主
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  • 2014-7-16 22:05:54
 
Infineon - Improving Efficiency of Synchronous Rectification by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism --继续
体二极管反向恢复的充电
MOS的体二极管在损耗计算中扮演中重要角色。因为在每个开关周期内在MOS关断前都会有电流流过,则反向恢复电荷Qrr被定义。如前所述,真正的Qrr不能足以代表规格书所定义的Qrr。规格书中基于100A/us测试,二极管处于最大D极电流,关断前的导通时间会在一个长达500uS的范围,这导致一个最大可能的Qrr。另外,JEDCE的测试方法会导致除了Qrr外,还有一部分MOS的输出电荷,从而给出的是一个比实际更大的值。强调实际应用,可能会看到1000A/us的应用,这会比低di/dtQrr更要大。

然而,Qrr的主要影响来自电流和二极管的flooding时间。因此应用中显示出更低的Qrr值,由于电流和时间的不同。

如图5示,MOS的门极时间对Qrr有很大影响。

体二极管在关断前导通时间越长,反向恢复电荷越大

这会导致效率降低并产生关断应力。作为例子,图5中的技术3可采用。时间从20ns140ns,附加的功耗约0.5WVt=40V,f=125KHz),会大大影响效率,特别在轻载条件下。


本文结束.....
胡庄主
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  • 2014-7-22 21:52:58
 
最后一弹,学习一下Vishay的文献,讲MOS开关时间计算,基于寄生电容参数,
易于理解,虽然实用性不大,但对于理解概念大有裨益。
先上传原文, Vishay -- Power MOSFET Basics_Understanding Gate Charge and Using It To Assess Switching Performance.pdf
zzhzhua
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  • 2014-7-30 13:38:56
 
谢谢庄主分享
胡庄主
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  • 2014-7-30 20:29:05
 
近一周忙忙碌碌,不知何为,忘了正事。
接上......
图 3 中的方程式 9 和方程式 10 表明,栅极电压达到阈值 1V所耗费的时长差约为 1 纳秒。因此,对于是否采用对栅极瞬态电压精度影响不大的、较简单的计算方法仍存在争议。但是,从图中来看,采用方程式计算出的结果比 MOSFET 所得到的实际瞬变的值要小。

zhangguosong4
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  • 2014-8-4 12:54:42
 
不错,来学习了。。。
胡庄主
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  • 2014-8-6 13:55:40
 
有些时间,继续后面的几段。
等式和数据手册值的对比
从图 7 中可以看出数据手册中开启和关闭时间的定义。这些定义可以等效于以上和此处所示的等式21-24.




最小开关瞬态值是利用适当的参数值来计算的,这个参数会导出一个最短的开关瞬态值。在某些情况下,这意味着使用最大参数值来计算最小开关瞬态值,反之亦然,即使用最小参数值来计算最大开关瞬态值。


胡庄主
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  • 2014-8-24 11:18:52
 
讨论了很多,也看了不少,但似乎还没有一个周全的方法,精确的太复杂不适合工程应用,易用的又不太准确,矛盾,犹如当年找女友老婆一般。
感觉大家很喜欢讨论具体案例的设计及调试,当然很重要。不过我近两年来更喜欢往理论上靠,宁可前面花点时间把问题规避掉,而不是在调试时惊天动地,解决出N多重大问题。
事前采取些措施总比后面补救强。当然,这句话不要想歪啊。
上次参加21在上海的会议,陈老师和卢博士还有赵修科老先生均出席,听了一会,感觉自己这一块还不行,极不够深入。虽然常规项目上的磁设计问题还不大,但现在遇到的一些新的挑战,缓弹药明显不够了。
近两个月抽空断断续续复习了一些基本理论,主要是电磁场这一块,感觉充实一些。电磁场这一块学起来来有个好处,不仅对磁损耗的分析,仿真有帮助,而且对EMI的设计,调试也可提供理论上的支持及指导。
种下一颗种子,有可能长出两个苹果,有些小赚的感觉。
继续学习修练,后面有收获了再来跟大家分享。
本贴到此结束,要送的速来吼一声。
gjtttt
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  • 2016-11-6 17:17:49
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大有裨益啊,谢了啊胡庄主,,花了一周的时间把你的贴完完整整的时间看了一遍,,我的论文好写多了,,
txtxtxtx
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LV12
专家
  • 2016-12-5 21:26:30
  • 倒数9
 
收藏了,谢谢大神!自己也搜集了一些这方面的资料,还是大神的比较全面,细致!
hengha545
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本网技工
  • 2017-9-20 11:35:45
  • 倒数5
 
感谢庄主,最近一直在想尽方法搞明白开关损耗。感谢分享了这么多好资料。够我好好消化一阵子了。越来越觉得自己道行太浅,还需修行。同样觉得理论知识很重要。调试来调试去都不知道背后原理是什么,心里总觉得有所缺憾
qq169
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  • 2014-9-4 10:31:26
 
庄主辛苦了!
asdasd
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  • 2015-1-30 15:58:07
 
一直没看到庄主的分享啊!抽空分享一下了,大家好学习学习。
asdasd
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  • 2015-1-30 15:58:07
 
一直没看到庄主的分享啊!抽空分享一下了,大家好学习学习。
cbsocb
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本网技师
  • 2015-3-10 19:23:10
 
太详细了,支持,楼主真的辛苦了
月下的小马
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  • 2017-8-9 09:58:07
  • 倒数6
 
很不错的资料,非常感谢分享,学习了
小铁虫
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本网技工
  • 2020-3-25 23:57:18
  • 倒数4
 
为什么这么好的帖子中间间隔这么久没人回复呢,继往开来,加油。
zuoyuanyang
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本网技工
  • 2020-11-26 17:18:03
  • 倒数2
 
正在学习这一块,谢谢分享
theodore
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  • 2022-2-13 14:32:47
  • 倒数1
 
八年了,精华依旧是精华,感谢!


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