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在器件設計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算(所謂先期計算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下,利用器件規格書提供的參數及工作電路的計算值和預計波形,套用公式進行理論上的近似計算)。對于傳統的硬開關而言,Mosfet的工作損耗可分:導通損耗Pv_cond、驅動損耗Pv_gate、體二極管反向恢復損耗Psw、輸出電容Coss泄放損耗Phs_Coss、Mosfet開關損耗。

典型硬開關波形如下:

 

下面我們就詳細講解Mos損耗的具體計算。

    1. Mosfet的導通損耗Pv_cond            

導通損耗:指在 MOSFET 完全開啟后負載電流(即漏源電流) IDS(on)(t) 在導通電阻 RDS(on) 上產生之壓降造成的損耗,導通損耗計算如下:

 

其中說明:

Rdson):實際結溫下的導通電阻,可以通過查閱datasheet中的相關曲線獲得;

IrmsMosfet導通時的電流有效值,電流有效值計算如下:

根據電流的工作模式可以分為下面3種:

2.Mosfet的驅動損耗Pv_gate    

 驅動損耗:指柵極接受驅動電源進行驅動造成之損耗,驅動損耗計算如下;

其中說明:

Qg 為總驅動電量,可通過器件規格書查找得到。

Vg為驅動電源的驅動電壓Vgs。

fsw為電源開關頻率

 

3.Mosfet的體內寄生二極管反向恢復損耗PSR_QRR

體內寄生二極管反向恢復損耗,指MOS體內寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致   使的反向恢復造成的損耗。(同步整流需要考慮此項損耗)

 

Vds為二極管所承受的反向電壓;

QRR指體二極管反向恢復電荷,此項器件規格書查找得到。

 

4.Mosfet的輸出電容的泄放損耗Phs_Coss

Coss電容的泄放損耗,指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導同期間在漏源極上的泄放損耗。

Qoss指MOS的輸出電容存儲的電荷量(Qoss=Vin*Coss;Coss隨著Vin變化而變化,所以需要找出對應曲線的Coss,如下圖);Vin指MOS開通時承受的輸入電壓;

 

   5.Mosfet的開關損耗        

Mosfet的開關損耗,指由于Mosfet從完全導通到完全關閉或從完全關閉到完全導通需要一定時間,在開關過程中,電壓和電流的交疊部分產生的損耗;具體如下圖

 

那么如何根據產品規格書計算MOS的開關損耗呢?

 

其中Vds_open為開通時漏源極電壓,Vds_close為開通時漏源極電壓,

Ids_open為 MOS開通時漏源極電流 ,Ids_open 為 MOS關段時漏源極電流

Rdson為漏源極開通時導通電阻,Crss為Mosfet的米勒電容。

     e.計算Mosfet的開通和關段損耗

6.如何降低Mosfet的損耗的?    

直接影響MOSFET 導通電阻的因素有幾點,通常增加芯片尺寸和漏源極擊穿電壓(VBR(DSS)),由于增加了器件中的半導體材料,有助于降低導通電阻RDS(ON)。另一方面,較大的MOSFET 會增大開關損耗。因此,雖然大尺寸MOSFET 降低了RDS(ON),但也導致小器件可以避免的效率問題。當管芯溫度升高時,MOSFET 導通電阻會相應增大。必須保持較低的結溫,使導通電阻RDS(ON)不會過大。導通電阻RDS(ON)和柵源偏置電壓成反比,因此,推薦使用足夠大的柵極電壓以降低RDS(ON)損耗,但此時也會增大柵極驅動損耗,需要平衡降低RDS(ON)的好處和增大柵極驅動的缺陷。MOSFET 的開關損耗與器件電容有關,較大的電容需要較長的充電時間,使開關切換變緩,消耗更多能量。米勒電容通常在MOSFET 數據資料中定義為反向傳輸電容(CRSS)或柵-漏電容(CGD),在開關過程中對切換時間起決定作用。米勒電容的充電電荷用QGD 表示,為了快速切換MOSFET,要求盡可能低的米勒電容。一般來說,MOSFET 的電容和芯片尺寸成反比,因此必須折衷考慮開關損耗和傳導損耗,同時也要謹慎選擇電路的開關頻率。從以上的計算可以看出,Crss和米勒平臺時間t3成正比,可以看出米勒平臺所占開通損耗比例為84%,因此米勒電容Crss 及所對應的Qgd在MOSFET的開關損耗中起主導作用。另外,減小驅動電阻可以同時降低t3和t2,從而降低開關損耗,但是過高的開關速度會引起EMI的問題。提高柵驅動電壓也可以降低t3時間。降低米勒電壓,也就是降低閾值開啟電壓,提高跨導,也可以降低t3時間從而降低開關損耗。但過低的閾值開啟會使MOSFET容易受到干擾誤導通,增大跨導將增加工藝復雜程度和成本,所以不同的應用選擇不同參數的Mosfet,只有選擇合理參數的Mosfet才能達到最高的性價比。

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