1. 開關(guān)損耗計算這件事為什么值得單獨拎出來講做電源的同行大概都有過這種經(jīng)歷板子焊好了跑起來溫升卻壓不住效率比仿真低了兩個點查來查去最后發(fā)現(xiàn)是MOSFET的開關(guān)損耗沒算準(zhǔn)。尤其是用Infineon的管子做高頻變換器時數(shù)據(jù)手冊上給的(E_{on})、(E_{off})曲線看著挺清楚真到自己的電路里一算誤差能到30%以上。這不是手冊有問題而是開關(guān)損耗本身就跟驅(qū)動電阻、母線電壓、負載電流、結(jié)溫這幾個變量強耦合任何一個條件對不上算出來的數(shù)就只能當(dāng)參考。這篇內(nèi)容就是圍繞Infineon MOSFET開關(guān)損耗計算這個主題把從數(shù)據(jù)手冊取數(shù)、到公式推導(dǎo)、再到實測校核的完整鏈路拆開講一遍。適合正在做DC-DC、電機驅(qū)動、PFC或者LLC的硬件工程師也適合剛接觸功率器件損耗分析的學(xué)生。我不打算只丟幾個公式出來而是把每個參數(shù)為什么這么取、取錯了會偏多少、實測怎么反推真實損耗這些實操層面的東西講透?？赐曛竽阒辽倌茏龅絻杉履玫揭活wInfineon的管子能在十分鐘內(nèi)估出一個靠譜的開關(guān)損耗區(qū)間板子回來之后能用示波器把損耗拆開驗證而不是靠猜。先說一個基本判斷開關(guān)損耗計算從來不是算一個數(shù)而是算一個范圍。因為器件參數(shù)有批次分散性驅(qū)動回路有寄生電感結(jié)溫在動態(tài)變化你追求小數(shù)點后兩位的精度沒有意義追求的是把誤差控制在可接受范圍內(nèi)并且知道誤差來自哪里。這個思路會貫穿全文。2. 開關(guān)損耗的物理本質(zhì)與Infineon器件的參數(shù)體系2.1 開關(guān)損耗到底損耗在哪里很多人把開關(guān)損耗理解成開關(guān)動作瞬間的損耗這個說法對但不完整。嚴格講MOSFET的開關(guān)損耗來自三個時間段開通延遲到米勒平臺結(jié)束這一段電流和電壓交疊產(chǎn)生的能量關(guān)斷時從米勒平臺到電流歸零這一段同樣是交疊能量還有輸出電容(C_{oss})在每個開關(guān)周期充放電帶來的損耗。前兩部分是通常說的(E_{on})和(E_{off})第三部分在硬開關(guān)拓撲里會被算進(E_{off})但在軟開關(guān)或者高頻場合需要單獨拎出來。用一個生活化的類比開關(guān)損耗就像你推一扇很重的門門從關(guān)到開的過程中你用的力和門移動的距離同時存在做的功就是損耗。如果門瞬間就開了或者你推的時候門根本沒阻力那就不做功。MOSFET的電壓和電流交疊區(qū)就是力和距離同時存在的那段。關(guān)鍵點在于交疊區(qū)的形狀由驅(qū)動回路和器件內(nèi)部電容共同決定。Infineon的OptiMOS和CoolMOS系列在這塊的差異就很大OptiMOS的(Q_{gd})小米勒平臺短開關(guān)快CoolMOS的高壓管(C_{oss})非線性強關(guān)斷損耗里(C_{oss})的貢獻不能忽略。所以算損耗之前先搞清楚你手里這顆管子屬于哪個系列比急著套公式重要得多。2.2 Infineon數(shù)據(jù)手冊里哪些參數(shù)真正有用翻Infineon的MOSFET數(shù)據(jù)手冊跟開關(guān)損耗直接相關(guān)的參數(shù)其實就那么幾個但每個都有坑。第一個是(E_{on})和(E_{off})。手冊里給的典型值是在特定測試條件下測的比如(V_{DD}400V)、(I_D20A)、(R_{G,ext}10\Omega)、(T_j125°C)。你如果用的是(R_G4.7\Omega)那這個(E_{on})就不能直接用得按驅(qū)動電阻的比例關(guān)系去修正。Infineon的應(yīng)用筆記AN2015-10里給過一個修正思路(E_{on})大致與(R_G)的平方根成正比但這個關(guān)系只在米勒平臺主導(dǎo)的區(qū)間成立驅(qū)動電阻特別小的時候會偏離。第二個是(Q_{gd})和(Q_{gs})。這兩個電荷參數(shù)決定了驅(qū)動損耗和開關(guān)時間。(Q_{gd})越大米勒平臺越長交疊區(qū)越寬開關(guān)損耗越大。選管子的時候同樣的(R_{DS(on)})優(yōu)先選(Q_{gd})小的這是高頻應(yīng)用的基本功。第三個是(C_{oss})和(E_{oss})。Infineon近幾年的手冊會直接給(E_{oss})曲線這個比(C_{oss})好用因為(C_{oss})是非線性的直接乘電壓算能量會偏大很多。(E_{oss})是輸出電容存儲能量的真實值關(guān)斷時這部分能量要么被耗散掉要么被軟開關(guān)回收。第四個是熱阻(R_{thJC})和(R_{thJA})。開關(guān)損耗算出來是功率功率要變成溫升才能判斷能不能用。(R_{thJC})是結(jié)到殼的熱阻(R_{thJA})是結(jié)到環(huán)境的熱阻后者只在沒有散熱器、靠PCB銅箔散熱時才有意義。實際工程里用(R_{thJC})加散熱器熱阻加界面熱阻來算。下面這張表把關(guān)鍵參數(shù)和它們的用途列清楚參數(shù)物理含義在損耗計算中的用途常見取值陷阱(E_{on})單次開通能量乘開關(guān)頻率得開通損耗測試條件與實戰(zhàn)不符需修正(E_{off})單次關(guān)斷能量乘開關(guān)頻率得關(guān)斷損耗含(C_{oss})損耗軟開關(guān)需扣除(Q_{gd})柵漏電荷估算米勒平臺時間隨(V_{DS})變化手冊值偏保守(Q_{gs})柵源電荷估算驅(qū)動損耗與驅(qū)動電壓擺幅相關(guān)(C_{oss})輸出電容計算容性損耗非線性建議用(E_{oss})替代(R_{thJC})結(jié)到殼熱阻溫升計算與封裝和焊接質(zhì)量相關(guān)提示Infineon手冊里的(E_{on})、(E_{off})典型值通常是在(T_j125°C)下測的如果你實際結(jié)溫只有80°C損耗會偏小但差別不大一般不用修正。真正需要修正的是驅(qū)動電阻和母線電壓。2.3 為什么不能直接套手冊曲線手冊曲線是在理想驅(qū)動回路下測的寄生電感被壓到最低。你的實際板子上驅(qū)動回路的寄生電感可能有5到10nH這個電感會拖慢開關(guān)速度讓交疊區(qū)變寬損耗增加。更麻煩的是寄生電感還會引起柵極振鈴嚴重時導(dǎo)致誤導(dǎo)通損耗直接翻倍。我實測過一塊用Infineon IPP60R099的PFC板手冊給的(E_{on})在(R_G10\Omega)時是15μJ實際用(R_G10\Omega)測出來接近22μJ差了將近50%。后來查驅(qū)動回路發(fā)現(xiàn)柵極走線太長寄生電感大概8nH把驅(qū)動電阻降到4.7Ω并縮短走線之后(E_{on})回到17μJ左右。這個例子說明手冊值只能作為起點實際值必須結(jié)合驅(qū)動回路評估。3. 從公式到實操開關(guān)損耗的完整計算流程3.1 基礎(chǔ)公式與參數(shù)選取開關(guān)損耗的基本公式不復(fù)雜[ P_{sw} (E_{on} E_{off}) \times f_{sw} ]其中(f_{sw})是開關(guān)頻率。如果考慮(C_{oss})損耗單獨計算則[ P_{oss} E_{oss} \times f_{sw} ]但要注意硬開關(guān)場合下(E_{off})已經(jīng)包含了(C_{oss})的能量不能再加一次。只有在軟開關(guān)或者(C_{oss})能量被回收的拓撲里才需要單獨處理。參數(shù)選取的核心是三個修正驅(qū)動電阻修正、母線電壓修正、電流修正。Infineon的應(yīng)用筆記里給的經(jīng)驗關(guān)系是驅(qū)動電阻修正(E_{on} \propto \sqrt{R_G})在(R_G)從2Ω到20Ω范圍內(nèi)大致成立母線電壓修正(E_{on} \propto V_{DD})近似線性電流修正(E_{on} \propto I_D)近似線性這三個關(guān)系都是近似但在工程誤差允許范圍內(nèi)夠用。舉個例子手冊值(E_{on}15μJ) at (R_G10\Omega)、(V_{DD}400V)、(I_D20A)你實際用(R_G5\Omega)、(V_{DD}380V)、(I_D15A)那么[ E_{on,actual} 15 \times \sqrt{5/10} \times (380/400) \times (15/20) 15 \times 0.707 \times 0.95 \times 0.75 \approx 7.6μJ ]這個數(shù)比直接用手冊值小了一半如果按手冊值算損耗溫升會估得偏高散熱器選大了浪費成本反過來如果實際條件比手冊嚴苛按手冊值算就會低估板子直接過熱。3.2 驅(qū)動電阻與開關(guān)損耗的權(quán)衡驅(qū)動電阻是開關(guān)損耗計算里最活躍的變量。電阻大開關(guān)慢損耗大但EMI好電阻小開關(guān)快損耗小但振鈴和EMI差。這個權(quán)衡沒有標(biāo)準(zhǔn)答案取決于你的拓撲和EMI要求。我的經(jīng)驗是先按手冊推薦值的一半開始試比如手冊推薦(R_G10\Omega)你就從4.7Ω或5.1Ω開始。然后用示波器看柵極波形和漏源波形如果振鈴在可接受范圍內(nèi)就繼續(xù)減小如果振鈴明顯就加回去。每次調(diào)整后重新算損耗找到損耗和EMI的平衡點。有一個容易被忽略的點開通電阻和關(guān)斷電阻可以分開設(shè)置。開通慢一點對EMI有利關(guān)斷快一點對損耗有利因為關(guān)斷損耗通常比開通損耗大。用非對稱驅(qū)動電路開通電阻用10Ω關(guān)斷電阻用2.2Ω往往能同時改善損耗和EMI。Infineon的1ED系列驅(qū)動芯片就支持這種非對稱配置。3.3 結(jié)溫對損耗的反饋影響結(jié)溫升高會導(dǎo)致(R_{DS(on)})增大導(dǎo)通損耗增加同時載流子遷移率下降開關(guān)時間變長開關(guān)損耗也會增加。這是一個正反饋過程算損耗的時候必須考慮。工程上的做法是迭代先假設(shè)結(jié)溫(T_j100°C)算損耗算溫升得到新的(T_j)再算一遍直到收斂。一般迭代兩三次就夠了。Infineon的手冊里(E_{on})、(E_{off})曲線通常給的是(T_j125°C)的值如果你算出來結(jié)溫只有90°C損耗會略小但差別通常在10%以內(nèi)不迭代也能接受。真正需要小心的是(R_{DS(on)})的溫度系數(shù)。Infineon的OptiMOS在(T_j125°C)時(R_{DS(on)})大約是25°C時的1.5倍CoolMOS大約是1.8倍。導(dǎo)通損耗如果占大頭這個系數(shù)直接決定溫升能不能壓住。4. 實測校核用示波器把損耗拆開看4.1 雙脈沖測試的基本設(shè)置算出來的損耗必須用實測校核最標(biāo)準(zhǔn)的方法是雙脈沖測試。這個測試能單獨測出(E_{on})和(E_{off})不受導(dǎo)通損耗干擾。設(shè)置方法電感負載第一個脈沖讓電流爬到目標(biāo)值然后關(guān)斷測關(guān)斷損耗第二個脈沖再開通測開通損耗。示波器用高壓差分探頭測(V_{DS})用電流探頭或者同軸分流器測(I_D)兩個通道相乘再積分就是能量。關(guān)鍵細節(jié)探頭延時必須校準(zhǔn)。電壓探頭和電流探頭之間的延時差哪怕只有幾納秒積分出來的能量就能差20%以上。校準(zhǔn)方法是用一個純電阻負載電壓和電流同相位調(diào)整探頭延時直到相乘后的波形沒有正負交替的尖峰。4.2 從波形反推損耗構(gòu)成實測波形拿到之后不要只看積分結(jié)果要把波形拆開看。開通波形的交疊區(qū)如果很長說明驅(qū)動電阻偏大或者驅(qū)動電流不足如果交疊區(qū)很短但有明顯振鈴說明寄生電感偏大損耗里有一部分是振鈴帶來的額外能量。關(guān)斷波形要看米勒平臺。如果米勒平臺很長說明(Q_{gd})大或者驅(qū)動關(guān)斷電流小如果關(guān)斷時電壓上升很快但電流拖尾說明器件內(nèi)部存儲電荷沒抽干凈可能是驅(qū)動電壓不夠負。我習(xí)慣在示波器上直接開數(shù)學(xué)運算把(V_{DS} \times I_D)的波形顯示出來然后看這個波形的面積。開通和關(guān)斷各積一次分跟手冊值對比偏差超過30%就要找原因。4.3 熱成像與溫升校核損耗算得對不對最終看溫升。用熱成像儀測殼溫結(jié)合(R_{thJC})反推結(jié)溫再跟計算值對比。如果實測結(jié)溫比計算值高很多可能是散熱器接觸不好或者損耗算漏了某項。有一個實用技巧在器件殼溫穩(wěn)定后突然切斷負載用示波器抓(V_{DS})和(I_D)的尾波通過體二極管壓降隨溫度變化的特性反推結(jié)溫。這個方法精度一般但能快速判斷結(jié)溫有沒有超限。5. 常見問題與排查技巧實錄5.1 算出來的損耗和實測差太多怎么辦這是最常見的問題原因通常有四個驅(qū)動回路寄生電感大、探頭延時沒校準(zhǔn)、手冊值修正不對、結(jié)溫迭代沒收斂。排查順序建議從探頭開始因為探頭問題最容易驗證也最容易出錯。校準(zhǔn)完探頭再測一遍如果還是差很多再查驅(qū)動回路。驅(qū)動回路的寄生電感可以用一個簡單方法估算在柵極回路串一個小電阻測柵極電流的上升時間用(L R \times t)粗略估算。如果超過10nH就要考慮縮短走線或者用雙絞線。5.2 開關(guān)損耗算出來偏小但板子過熱這種情況通常是漏算了某項損耗。檢查清單導(dǎo)通損耗算了嗎驅(qū)動損耗算了嗎死區(qū)時間里的體二極管損耗算了嗎如果是同步整流拓撲續(xù)流管的損耗算了嗎還有一個隱蔽的坑如果驅(qū)動電壓不足MOSFET可能工作在飽和區(qū)而不是完全導(dǎo)通區(qū)導(dǎo)通損耗會急劇增加。用示波器測一下(V_{GS})的穩(wěn)態(tài)值確保在(R_{DS(on)})測試條件規(guī)定的電壓以上。5.3 不同批次的管子損耗差異大功率器件有批次分散性(E_{on})、(E_{off})的批次差異通常在10%到20%。如果差異超過這個范圍可能是買到了假貨或者翻新貨。Infineon的正品管子可以通過官方渠道查批次號建議從授權(quán)代理拿貨。設(shè)計的時候要留余量按手冊最大值算一遍按典型值算一遍取中間偏保守的值。散熱器按最大值選效率按典型值估。5.4 高頻下?lián)p耗計算完全不準(zhǔn)開關(guān)頻率超過200kHz之后手冊的(E_{on})、(E_{off})曲線就不太準(zhǔn)了因為高頻下(C_{oss})的非線性效應(yīng)和驅(qū)動回路的諧振都會放大。這時候建議直接用實測值或者用Infineon的在線仿真工具IPOSIM它內(nèi)置了高頻修正模型。如果非要用公式算把(C_{oss})損耗單獨拎出來用(E_{oss})曲線積分不要用(C_{oss})乘電壓。高頻下這部分損耗能占到總開關(guān)損耗的30%以上。6. 工具鏈與效率提升的實操建議6.1 Infineon官方工具怎么用Infineon的IPOSIM是個網(wǎng)頁工具選好器件型號、拓撲、散熱條件它直接給你算損耗和結(jié)溫。優(yōu)點是快缺點是只能用它支持的拓撲自定義波形不行。我一般用它做初選確定幾顆候選管子再用自己的公式細算。另一個工具是Infineon的MOSFET損耗計算Excel表格在官網(wǎng)能下到。這個表格的好處是參數(shù)透明你可以看到每個修正系數(shù)是怎么來的適合想搞明白原理的人。6.2 自建計算表格的要點我自己的習(xí)慣是建一個Excel表格把(E_{on})、(E_{off})、(R_{DS(on)})、(Q_g)、(C_{oss})這些參數(shù)列進去然后設(shè)置驅(qū)動電阻、母線電壓、電流、頻率、占空比這些輸入變量用公式自動算損耗和溫升。表格里留一個實測修正系數(shù)的格子每次實測之后把修正系數(shù)更新進去下次算同拓撲就準(zhǔn)了。這個表格的關(guān)鍵是修正系數(shù)要分拓撲記錄。PFC的修正系數(shù)和LLC的不一樣硬開關(guān)和軟開關(guān)的也不一樣。積累幾個月之后你算損耗的精度能到10%以內(nèi)比仿真還準(zhǔn)。6.3 從計算到選型的閉環(huán)損耗計算的最終目的是選型和散熱設(shè)計。算完損耗之后按最壞情況下的結(jié)溫留20°C余量選散熱器按典型損耗估效率。如果算出來結(jié)溫接近限值要么換(R_{DS(on)})更小的管子要么降低開關(guān)頻率要么改驅(qū)動電阻。有一個經(jīng)驗法則如果開關(guān)損耗占總損耗的40%以上說明開關(guān)頻率偏高或者驅(qū)動沒調(diào)好如果導(dǎo)通損耗占70%以上說明管子選大了或者散熱不夠。兩種情況都要回頭調(diào)整。7. 幾個容易踩的坑和我自己的處理習(xí)慣第一個坑是拿(C_{oss})直接乘(V_{DS})算容性損耗。這個算法在高壓管上能偏大兩三倍因為(C_{oss})隨(V_{DS})下降而急劇增大但能量積分不是線性的。正確做法是用(E_{oss})曲線或者用(0.5 \times C_{oss,eff} \times V_{DS}^2)其中(C_{oss,eff})是等效電容手冊里有時會給。第二個坑是忽略驅(qū)動損耗。驅(qū)動損耗是(Q_g \times V_{GS} \times f_{sw})在大電流高頻場合能到瓦級不能不算。尤其是用大(Q_g)的管子時驅(qū)動損耗可能比開關(guān)損耗還大。第三個坑是死區(qū)時間設(shè)太長。死區(qū)時間里體二極管導(dǎo)通壓降比(R_{DS(on)})上的壓降大得多損耗增加明顯。死區(qū)時間夠用就行一般100ns到200ns具體看驅(qū)動芯片和管子特性。第四個坑是散熱器界面材料沒選好。導(dǎo)熱硅脂的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)直接影響(R_{thCA})涂太厚熱阻反而大。用相變材料或者導(dǎo)熱墊的時候壓力要夠不然接觸熱阻能占到總熱阻的一半。我自己的習(xí)慣是每次新設(shè)計都先按手冊值算一遍留30%余量選散熱器板子回來之后實測校核把修正系數(shù)記下來。同一個拓撲做第二版的時候直接用修正后的系數(shù)算基本一次過。這個流程看起來麻煩但比反復(fù)改板省時間。最后分享一個小技巧如果手頭沒有電流探頭可以用一個已知阻值的分流電阻串在源極和地之間測分流電阻上的電壓來反推電流。分流電阻用1mΩ到10mΩ的無感電阻精度夠用成本比電流探頭低得多。注意分流電阻的寄生電感要小否則高頻下波形會失真。