Перейти к содержанию

Почему MOSFET греется в ШИМ, хотя без ШИМ холодный?

Обновлено Редакция GAW

У MOSFET-ключа два вида потерь. В открытом состоянии ток идёт через сопротивление канала — это I2 · RDS(on), и от частоты оно не зависит. А на каждом фронте есть короткий интервал, когда ток уже течёт, а напряжение ещё не упало (или наоборот): мощность в этот момент — произведение большого тока на большое напряжение. Это потери переключения, и в ШИМ они повторяются на каждом периоде.

Расчёт по SLUA618A

TI оценивает время фронта по току затвора (ур. 11–12) и потери (ур. 14):

PSW=UDS⋅IL2⋅(t2+t3)⋅fP_\text{SW} = \frac{U_\text{DS} \cdot I_L}{2} \cdot (t_2 + t_3) \cdot f

Наш расчёт для IRLZ44, нагрузки 12 В / 5 А и затвора от вывода 5 В через 150 Ом. Порог берём 1,5 В (середина 1–2 В по даташиту), плато Миллера — 2,5 В, как пишет TI для логических MOSFET, сопротивлением вывода пренебрегаем:

  • IG2 = (5 − 2)/150 = 20 мА, t2 = 3300 пФ · 1 В/20 мА ≈ 165 нс;
  • IG3 = (5 − 2,5)/150 ≈ 17 мА, t3 = 200 пФ · 12 В/17 мА ≈ 144 нс.

Считаем включение и выключение одинаковыми — на период около 19 мкДж:

Частота ШИМПотери переключенияПотери в открытом состоянии при 50 %
1 кГцоколо 20 мВтдо 0,35 Вт
20 кГцоколо 0,37 Втдо 0,35 Вт
60 кГцоколо 1,1 Втдо 0,35 Вт

Это грубая оценка: ёмкости нелинейны, а паразитные индуктивности меняют фронты, о чём предупреждает и TI. Но вывод надёжен — на частотах в десятки килогерц потери переключения сравниваются с потерями проводимости и обгоняют их.

Как уменьшить нагрев

  1. Снизить частоту ШИМ, если нагрузка это позволяет.
  2. Заряжать затвор быстрее — меньшим резистором в пределах тока вывода или драйвером затвора. Как выбрать резистор, рассказано в ответе «Какой резистор ставить в затвор MOSFET».
  3. Выбрать транзистор с меньшим зарядом затвора — он быстрее переключается от того же тока; на больших токах — с меньшим RDS(on).

Времена фронтов из даташита разобраны в статье о временах переключения, схема ключа целиком — в «Ключе на MOSFET».

Похожие вопросы

Какую частоту ШИМ выбрать, если затвор управляется прямо от микроконтроллера?

Самую низкую, которую допускает нагрузка: потери переключения пропорциональны частоте. По нашему расчёту для IRLZ44 через 150 Ом при 12 В и 5 А на 1 кГц они около 20 мВт, а на 20 кГц — около 0,4 Вт. Если нужна высокая частота, ставят драйвер затвора.

Поможет ли драйвер затвора?

Да: TI в SLUA618A подчёркивает, что время переключения определяет ток, который драйвер отдаёт около плато Миллера — для MOSFET с логическим уровнем это примерно 2,5 В на затворе. Драйвер с током в амперы заряжает затвор в десятки раз быстрее вывода микроконтроллера, и потери переключения падают во столько же раз.

Почему транзистор греется и при 100 % заполнения?

Остаются потери в открытом состоянии I² · RDS(on). У IRLZ44 при 5 В на затворе и токе 5 А это до 0,7 Вт, а без радиатора при 62 °C/Вт — нагрев на 43 °C (наш расчёт). Если RDS(on) при вашем напряжении на затворе в даташите не указано, транзистор может быть открыт не полностью.

Источники

  1. Texas Instruments. SLUA618A: Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, L. Balogh (revised October 2018) — разд. 2.7 Power Losses: потери переключения возникают в интервалах 2 и 3 фронта, когда затвор между VTH и плато Миллера; ур. 11 — токи затвора IG2 и IG3; ур. 12 — t2 = CISS · (VGS,Miller − VTH) / IG2, t3 = CRSS · VDS,off / IG3; ур. 13–14 — PSW = VDS(off) · IL / 2 · (t2 + t3) / T; скорость переключения определяет ток драйвера около плато Миллера — примерно 5 В, для MOSFET с логическим уровнем около 2,5 В; точный расчёт невозможен, линейное приближение — разумная оценка
  2. Vishay. IRLZ44 Power MOSFET (Document Number 91328, S21-1045-Rev. D, 25-Oct-2021) — VGS(th) 1,0–2,0 В; RDS(on) не больше 0,028 Ом при VGS = 5 В; Ciss 3300 пФ, Crss 200 пФ при VDS = 25 В; Qg до 66 нК; RthJA 62 °C/Вт

Нашли ошибку?

Смотрите также