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Power

MOSFET 전력 손실 계산기

전력 전자 설계를 위한 MOSFET 전도 손실, 스위칭 손실, 총 전력 손실, 접합 온도 및 효율성 계산

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공식

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— 드레인 전류 (A)
R_DS(on)— 온 레지스탕스 (Ω)
V_DS— 드레인 소스 전압 (V)
f_sw— 스위칭 주파수 (Hz)
t_r— 라이즈 타임 (s)
t_f— 가을 시간 (s)

작동 방식

MOSFET 전력 손실 계산기는 모터 드라이브, DC-DC 컨버터 및 고전류 스위칭 회로에 필수적인 전력 트랜지스터 애플리케이션의 전도 손실, 스위칭 손실 및 열 요구 사항을 결정합니다.전력 전자 엔지니어, 인버터 설계자 및 열 관리 전문가는 이 도구를 사용하여 장치 고장을 예방하고 효율성을 최적화합니다.에릭슨과 막시모비치의 '전력 전자 장치의 기초'에 따르면 총 MOSFET 전력 손실은 전도 손실 Pcond = Irms² × Rds (on) 와 스위칭 손실 Psw = ½ × Vin × Iout × (tr + tf) × fsw로 구성됩니다.실리콘 MOSFET의 경우 Rds (on) 는 인피니언 애플리케이션 노트 AN-2014-02 기준으로 접합 온도가 25°C에서 125°C로 40-100% 증가합니다. 열 계산에는 항상 핫 Rds (on) 를 사용하십시오.게이트 충전 Qg는 드라이버 전력과 스위칭 속도를 결정합니다. Pgate = Qg × Vgs × fsw는 드라이버 회로에서 소산됩니다.최신 GaN FET는 5배 더 빠른 스위칭 (10ns 대 50ns) 으로 500kHz에서 실리콘보다 50% 낮은 스위칭 손실을 달성하여 효율적인 전력 변환 (EPC) 설계 가이드에 따르면 서버 전원 공급 장치에서 99% 이상의 효율성을 제공합니다.

계산 예제

동기식 벅 컨버터 하이사이드 MOSFET의 열 관리를 설계합니다.사양: 핀 = 48V, 볼트 = 12V, 출력 = 10A, 주파수 = 200 킬로헤르츠, D = 0.25.MOSFET: 인피니언 IPB072N15N5 (Rds (on) = 7.2 mΩ @ 25°C, Qg = 62nC, tr = 12ns, tf = 6ns).1단계: RMS 전류 계산 — Irms = 출력 × √D = 10 × 0.5 = 5A. 2단계: 전도 손실 — 리드 (온) @ 100°C = 7.2mΩ × 1.6 = 11.5 mΩ.파운드 = 5² × 11.5m = 288mW.3단계: 스위칭 손실 — Pw = ½ × 48 × 10 × (12n + 6n) × 200k = 864mW.4단계: 게이트 드라이브 손실 — Pgate = 62n × 10V × 200k = 124mW (드라이버 내부, MOSFET 제외).5단계: 총 MOSFET 손실 — 총 = 288 + 864 = 1.15 W. 6단계: 열 설계 — 주변 온도 50°C에서 Tj < 100°C의 경우: θJA < (100-50) /1.15 = 43°C/W. 1인² 구리의 D2PAK (θJA = 40°C/W) 요구 사항을 충족합니다.

실용적인 팁

  • ✓텍사스 인스트루먼츠의 'GaN FET 설계 가이드'에 따르면 실리콘 MOSFET을 200kHz 미만의 GaN으로 교체하십시오. GaN의 10배 낮은 Qg 및 제로 Qrr은 총 손실을 40-60% 줄여 히트싱크 없이 1MHz+ 작동을 가능하게 합니다.
  • ✓표면 실장 패키지에는 θ TIM이 0.5°C/W 미만인 열 인터페이스 재료 (TIM) 를 사용하십시오. 버그퀴스트 갭 패드 5000S35 은 0.3°C/W를 달성하여 베어 PCB 마운팅에 비해 Tj를 15-20°C 줄입니다.
  • ✓적응형 데드타임 제어를 구현하여 바디 다이오드 전도를 최소화합니다. TI UCC21520 절연 드라이버는 부하 전류를 기준으로 데드 타임을 20-100ns로 조정하여 데드 타임 손실을 30% 줄입니다.

흔한 실수

  • ✗열 계산에 25°C Rds (on) 사용 — 실리콘 MOSFET Rds (on) 는 작동 온도에서 1.5-2배 증가합니다. 25°C에서 10mΩ 디바이스는 150°C에서 20mΩ을 나타내어 전도 손실이 두 배로 증가할 수 있습니다.
  • ✗고주파에서의 스위칭 손실 무시 (500kHz) 에서는 스위칭 손실이 전도 손실을 초과하는 경우가 많습니다. 총 스위칭 시간이 30ns인 10A/48V MOSFET은 스위칭만 해도 3.6W를 소모합니다.
  • ✗바디 다이오드의 역회복 손실 무시 — 동기 벅 데드 타임은 바디 다이오드 전도를 유발하고, 실리콘 다이오드 Qrr = 100-500 nC는 200kHz에서 0.5-2W의 추가 손실을 일으킴

자주 묻는 질문

인피니언 애플리케이션 노트에 따르면 AN-2014-02: Ptotal = Pcond + Pw+Pgate.파운드 = 아이템 ² × 레드 (온) _핫.발 = ½ × Vds × Id × (tr + tf) × 몇 개.Pgate = Qg × Vgs × fw (드라이버에서 소산됨).동기 정류기의 경우 바디 다이오드 손실을 추가하십시오. 다이오드 = Vf × Id × 트레드 × fw × 2.스위칭 파형이 이상적이지 않기 때문에 총 정확도는 일반적으로 ± 15-20% 입니다.
주요 요인: (1) 부하 전류 (Pcond I²), (2) 스위칭 주파수 (Psw fsw), (3) 작동 전압 (Psw Vds), (4) 온도 (실리콘의 경우 Rds (on) T^1.5), (5) 게이트 구동 전압 (Vgs가 낮을수록 Rds (on) 증가).보조 요인: 게이트 저항, 밀러 고원 전하, 역 회복 전하.GaN 및 SiC 디바이스는 온도 계수가 더 낮습니다 (실리콘의 경우 1.6-2배에 비해 25°C에서 125°C까지 1.2-1.4배).
과도한 손실은 열 폭주 및 장치 고장을 유발합니다.MIL-HDBK-217F 기준, 접합 온도가 100°C 이상으로 10-12°C 증가할 때마다 MOSFET 고장률이 두 배로 증가합니다.Tj = 175°C (일반적인 실리콘 최대값) 에서는 고장률이 125°C보다 16배 높습니다. 열 사이클링 (켜기/끄기) 은 추가적인 기계적 응력을 유발합니다. 인피니언 신뢰성 데이터에 따르면 솔더 조인트 피로는 자동차 MOSFET의 열 사이클을 10,000-100,000으로 제한합니다.
TI 전력 설계 가이드별: (1) 저주파 애플리케이션 (500 <100 kHz): minimize Rds (on), ignore Qg (choose large die for low conduction loss), (2) High-frequency applications (> kHz): Rds (on) × Qg 곱 최적화 (성능 지수), (3) Pcond = Psw (밸런스 손실 최소화 총계) 인 경우 최적의 다이 크기를 계산합니다.GaN은 실리콘보다 10배 더 나은 Rds (on) × Qg FOM을 구현하여 고주파 설계에서 우위를 점하고 있습니다.
실리콘 MOSFET은 양의 온도 계수를 나타냅니다. 즉, Rds (온) (T) = Rds (온) (25°C) × (T/298) ^α이며, 여기서 α = 1.5-2.5는 정격 전압에 따라 다릅니다.인피니언 데이터시트에 따르면: 40V 디바이스 α ≈ 1.5, 100V 디바이스 α ≈ 2.0, 600V 디바이스 α ≈ 2.3.즉, 125°C에서의 Rds (켜짐) 는 25°C 값보다 1.5~2.0배 더 높습니다.SiC MOSFET은 계수가 낮아 (α ≈ 1.0) 고온에서도 손실이 낮습니다.

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