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MOSFETの電力損失計算ツール

パワーエレクトロニクス設計のMOSFET伝導損失、スイッチング損失、総消費電力、ジャンクション温度、および効率を計算

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公式

Pcond=ID2×RDS(on),Psw=0.5×VDS×ID×(tr+tf)×fswP_cond = I_D² × R_DS(on), P_sw = 0.5 × V_DS × I_D × (t_r + t_f) × f_sw
I_D— ドレイン電流 (A)
R_DS(on)— オンレジスタンス (Ω)
V_DS— ドレイン-ソース間電圧 (V)
f_sw— スイッチング周波数 (Hz)
t_r— 立ち上がり時間 (s)
t_f— 秋の時間 (s)

仕組み

MOSFETの電力損失カリキュレータは、モータドライブ、DC-DCコンバータ、および高電流スイッチング回路に不可欠なパワートランジスタアプリケーションの導通損失、スイッチング損失、および熱要件を決定します。パワーエレクトロニクスのエンジニア、インバータ設計者、および熱管理の専門家は、このツールを使用してデバイスの故障を防ぎ、効率を最適化します。エリクソン&マクシモビッチの「パワーエレクトロニクスの基礎」によると、MOSFETの総電力損失は、伝導損失Pcond = Irms² × Rds (on) とスイッチング損失 Psw = ½ × Vin × Iout × (tr + tf) × fsw で構成されます。インフィニオンのアプリケーションノートAN-2014-02によると、シリコンMOSFETの場合、Rds（オン）は接合温度が25°Cから125°Cに40〜100％増加します。熱計算には常に高温のRds（オン）を使用してください。ゲート電荷Qgによってドライバの電力とスイッチング速度が決まります。Pgate = Qg × Vgs × fswはドライバ回路で消費されます。最新のGaN FETは、スイッチングが5倍（50ns対10ns）速いため、500 kHzではシリコンよりもスイッチング損失が 50% 低く、効率的な電力変換（EPC）設計ガイドによると、サーバー電源の 99% を超える効率を実現しています。

計算例

同期整流式バックコンバータのハイサイドMOSFETの熱管理を設計します。仕様:入力 = 48 V、出力 = 12 V、出力 = 10 A、周波数 = 200 kHz、D = 0.25MOSFET: インフィニオン IPB072N15N5 (赤 (オン) = 7.2 mΩ @ 25°C、Qg = 62 nC、tr = 12 ナノ秒、tf = 6 ナノ秒)。ステップ 1: RMS 電流の計算 — Irms = Iout × √D = 10 × 0.5 = 5 A. ステップ 2: 導通損失 — Rds (on) @ 100°C = 7.2 mΩ × 1.6 = 11.5 mΩポンド = 5² × 11.5m = 288 mW。ステップ 3: スイッチング損失 — Psw = ½ × 48 × 10 × (12n + 6n) × 200k = 864 mWステップ 4: ゲートドライブの損失 — Pgate = 62n × 10 V × 200k = 124 mW (MOSFETではなくドライバ内)。ステップ5: MOSFETの総損失 — Ptotal = 288 + 864 = 1.15 W。ステップ6: 熱設計 — 周囲50°CでTjが100°C未満の場合:θ JA < (100-50) /1.15 = 43°C/W。1インチ²の銅 (θ JA = 40°C/W) 上のD2PAKは要件を満たしています。

実践的なヒント

  • ✓テキサス・インスツルメンツの「GaN FET設計ガイド」によると、シリコンMOSFETをfswが200kHzを超えるGaNに置き換えてください。GaNのQgが10倍低く、Qrrがゼロであるため、総損失が40〜60％減少し、ヒートシンクなしで1 MHz以上の動作が可能になります
  • ✓表面実装パッケージには、θ TIM < 0.5°C/W のサーマル・インターフェース・マテリアル (TIM) を使用してください。Bergquist ギャップ・パッド 5000S35 は 0.3°C/W を実現し、ベア基板実装と比較してTj を 15 ～ 20 °C 削減します。
  • ✓適応型デッドタイム制御を実装してボディダイオードの伝導を最小限に抑える — TI UCC21520絶縁ドライバは、負荷電流に基づいてデッドタイムを20〜100 nsの範囲で調整し、デッドタイム損失を 30% 削減します

よくある間違い

  • ✗熱計算に25°CのRds（オン）を使用した場合 — シリコンMOSFETのRds（オン）は動作温度で1.5〜2倍に増加します。25°Cの10mΩのデバイスは150°Cで20mΩになる場合があり、伝導損失は2倍になります。
  • ✗高周波でのスイッチング損失を無視すると、500 kHzでは、スイッチング損失が導通損失を上回ることがよくあります。合計スイッチング時間が30nsの10 A/48V MOSFETでは、スイッチングだけで3.6 Wが消費されます。
  • ✗ボディダイオードの逆回復損失を無視すると、同期バックデッドタイムによってボディダイオードの伝導が発生し、シリコンダイオード Qrr = 100-500 nC では 200 kHz でさらに 0.5-2 W の損失が発生する

よくある質問

インフィニオンのアプリケーションノートAN-2014-02によると、合計=秒+Psw+Pgate。ポンド = Irm² × 赤 (インチ) _hot。Pw = ½ × Vds × Id × (tr+ tf) × fwPgate = Qg × Vgs × FSW (ドライバで消費されます)同期整流器の場合、ボディダイオードの損失を加算します。つまり、パイオード = Vf × Id × スレッド × fw × 2 です。スイッチング波形は理想的ではないため、全体の精度は通常± 15 ～ 20% です。
主な要因:(1) 負荷電流 (Pcond I²)、(2) スイッチング周波数 (Pswfsw)、(3) 動作電圧 (PswVds)、(4) 温度 (シリコンの場合はRds (オン) T^1.5)、(5) ゲートドライブ電圧 (Vgsが低いとRds (オン) が増加する)。二次要因:ゲート抵抗、ミラープラトー電荷、逆回復電荷。GaNデバイスとSiCデバイスは温度係数が低くなります（25°Cから125°Cの場合は1.2〜1.4倍、シリコンの場合は1.6〜2倍）。
過度の放散は、熱暴走やデバイスの故障の原因となります。MIL-HDBK-217Fによると、MOSFETの故障率は、接合温度が100℃を超えると10～12℃上昇するごとに2倍になります。Tj = 175°C（標準シリコンの最大値）では、故障率は125°Cの場合の16倍になり、熱サイクル（オン/オフ）により追加の機械的ストレスが発生します。インフィニオンの信頼性データによると、車載MOSFETはハンダ接合部の疲労により10,000〜100,000の熱サイクルに制限されます。
TI電源設計ガイドによると、(1) 低周波アプリケーション 500 <100 kHz): minimize Rds (on), ignore Qg (choose large die for low conduction loss), (2) High-frequency applications (> kHz): Rds (on) × Qg 積 (性能指数) の最適化、(3) Pcond = Pswの場合の最適なダイサイズの計算 (バランス損失の合計の最小化)。GaNはシリコンの10倍のRds (on) × Qg FOMを実現し、高周波設計の大半を占めます。
シリコンMOSFETは、Rds (on) (T) = Rds (on) (T) = Rds (on) (25°C) × (T/298) ^αという正の温度係数を示します。ここで、αは電圧定格に応じて1.5〜2.5です。インフィニオンのデータシートによると、40Vデバイス α≈1.5、100Vデバイス α≈2.0、600Vデバイス α≈2.3。つまり、125°CのRds (オン) は、25°Cの値よりも1.5〜2.0倍高いということです。SiC MOSFETは係数が低く (α≈1.0)、高温時の損失も低く抑えられます。

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