之前在跟同事罗帅讨论驱动器的热损耗,学习了一下,找的一篇TI的文章对半桥的功耗计算。
摘要:
在为电机应用或具有电感特性的负载选择集成 H 桥或半桥驱动器时,必须考虑由于负载电流和输出的 PWM 开关以进行电流调节而导致的驱动器功耗。器件上消耗的功率会使器件的结温超过环境温度,具体取决于热阻抗。热阻取决于 IC 的特性(封装、芯片尺寸等)和 PCB 设计,这通常是给定驱动器提供多少电流的限制因素。要计算给定应用中的最大允许电流,需要估算电机驱动器的总功耗。本应用报告展示了如何估算功率 FET 和整个器件本身在每种情况下的功耗。
1 集成驱动器中的功耗来源
驱动器 IC 中的功率 FET 有两个基本的功耗来源。
1.1 导通损耗
每个 FET 的导通损耗由于其导通电阻而产生的功耗由下式给出:
RON=FET 导通电阻[ohm]
IL= 负载电流[A]
请注意,RON随温度升高而增加。因此,随着设备升温,功耗也会增加。在计算总器件功耗时必须考虑这一点。通常,RON 在 150 摄氏度时的值大约是 25 摄氏度时的室温值的两倍。
1.2 开关损耗
与基于 PWM 的电流调节相关的开关损耗导致的功耗可以用以下表达式来近似:
上升沿和下降沿期间由于输出压摆引起的功耗由下式给出:
FPWM= PWM 开关频率 [Hz]
VM= 驱动器电源电压 [V]
IL= 负载电流 [A]
SRrise= 上升期间的输出电压转换率 [V/sec]
SRfall= 下降期间的输出电压转换率 [V/sec]
输出压摆率是 EM(电磁)性能和器件功耗之间的平衡。
由于开关 FET 之间的死区时间导致的功耗由下式给出:
FPWM= PWM 开关频率 [Hz]
VD= FET 体二极管正向偏置电压 [V]
IL= 负载电流 [A]
= 上升过程中的死区时间 [sec]
= 下降过程中的死区时间 [sec]
死区时间对于降低开关功率 FET 之间的任何电流直通风险是必要的。集成 FET 驱动器通常具有基于反馈的自定时 FET 开关序列,以确保尽可能小的死区时间,同时避免任何击穿电流。
在再循环路径中 FET 导通期间由于 OUTPUT 摆动导致的功耗由下式给出:
这种耗散通常不被考虑,因为它非常微不足道
由于开关 FET 的反向恢复损耗也会产生功率耗散。这是由于典型大功率 FET (< ~100 mΩ) 的正向偏置体二极管的电流方向发生变化而发生的。这些损耗通常会限制较高压摆率(> 25 V/μsec)下的功耗节省。这种耗散通常也不被考虑,因为它非常微不足道。
1.3 器件电流消耗
器件电流消耗引起的功耗,由下式给出
VM= 驱动器电源电压 [V]
IVM= 设备工作电源电流 [A]
考虑到IVM通常约为 5 - 10 mA,这种耗散通常不被考虑,因为它非常微不足道。
1.4 稳压器ldo消耗
一些驱动器设备具有可用的外部 LDO 稳压器输出,用于提供一些参考电流或为外部负载供电的电流。由于该外部负载电流而产生的功耗由下式给出
这种耗散通常不被考虑,因为它非常微不足道。
总结
总之,总功耗由下式给出:
通常,这可以近似为三个来源,由下式给出:
下一小节根据应用配置(使用高侧或低侧再循环的 H 桥或半桥驱动器)显示每个功率 FET 中用于传导和开关损耗的功率耗散。
半桥
低侧循环的半桥
图 1-4 显示了 PWM 调节中半桥在 HS - 负载(区域 #1)和 LS - 负载(区域 #5)与其他转换(上升沿和区域 # 的区域 #2、3 和 4)之间的开关序列 6、7 和 8 用于下降沿)。每个 FET 的功耗如下:
表格中:
RON=FET 导通电阻[ohm]
FPWM= PWM 开关频率 [Hz]
VM= 驱动器电源电压 [V]
IL= 负载电流[A]
D = PWM 占空比介于 0 和 1 之间
= HS关闭时上升期间的输出电压转换速率 [V/sec]
= HS 开启时下降期间的输出电压转换速率 [V/sec]
VD= FET 体二极管正向偏置电压 [V]
= HS 关闭后的死区时间 [秒]
= HS 开启前的死区时间 [秒]
= LS 开启时上升期间的输出电压转换率 [V/sec]
= LS 关闭时下降期间的输出电压转换率 [V/sec]
如果我们假设 #4 和 #6 区域的功耗可以忽略不计,上升沿和下降沿的压摆率匹配,死区时间相等,则每个 FET 的功耗可以近似如下:
与 H 桥驱动器相比,由于传导损耗导致的功耗大约减少了一半,但开关损耗保持不变。
高端侧循环的半桥也是一样的
示例计算
RON= 100mΩ
FPWM= 20 KHz
VM= 13.5 V
IL= 1A
D= 50%
= 13.5 V/us
= 13.5 V/us
VD= 1V
= 100ns
= 100ns
= 13.5 V/us
= 13.5 V/us
部分 | PWM 周期内的时间比 | 低端 | 高端 |
---|---|---|---|
1 | 50% | 0 | |
2 | 13.5V / 13.5V/us x 20KHz | 0 | 0.5 x 13.5V x 1A |
3 | 100ns x 20kHz | 1V x 1A | 0 |
4 | 13.5V / 13.5V/us x 20KHz | 0.5 x 1V x 1A | 0 |
5 | (1-50%) | 0 | |
6 | 1V / 13.5V/us x 20KHz | 0.5 x 1V x 1A | 0 |
7 | 100ns x 20kHz | 1V x 1A | 0 |
8 | 13.5V / 13.5V/us x 20KHz | 0 | 0.5 x 13.5V x 1A |
简单的总结,主要的两部分损耗还是在导通损耗和开关损耗上。
影响导通损耗的主要是导通的电阻,可以选择导通电阻小一些的mos,减少发热。
影响开关损耗的主要是电压上升的速度,所以我们更希望,开通关断的更快一些。因为在这个时间里,损耗是I*U。
审核编辑:汤梓红
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原文标题:MOS-半桥的功耗
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