Расчет потерь мощности при коммутации МОП-транзистора

Потери в МОП-транзисторе возникают по двум причинам. Во-первых, каждый МОП-транзистор содержит резистивный элемент, который рассеивает мощность при прохождении через него тока. Этот параметр известен как сопротивление в открытом состоянии, или R_DS(ON). Потери на проводимость обратно пропорциональны размеру MOSFET. Чем больше транзистор, тем меньше его R_DS(ON) и, соответственно, меньше потери на проводимость. Во-вторых, это потери на переключение. Так как МОП-транзистор постоянно отпирается и запирается, его внутренняя паразитная емкость запасает и рассеивает часть энергии при каждом переключении. Уровень потерь прямо пропорционален частоте переключения и величине паразитной емкости. При увеличении размера МОП-транзистора увеличивается его паразитная емкость и, соответственно, потери на переключение.

Вышеописанные источники потерь мощности создают серьезную проблему для проектировщиков источников питания. Использование больших МОП-транзисторов уменьшает потери на проводимость за счет низкого R_DS(ON), однако увеличиваются потери на переключение из-за большой паразитной емкости. В большинстве случаев для сокращения потерь проектировщикам необходимо искать баланс между потерями на проводимость и на переключение для каждого отдельного устройства.

Многие производители дискретных МОП-транзисторов применяют вертикальный производственный процесс (транзисторы с вертикальной структурой), когда исток находится в верхней части кремниевой пластины, а сток — в нижней, и ток те-чет вертикально через кремниевую структуру (кстати, именно поэтому медная площадка корпуса мощного транзистора является, как правило, стоком). Такие МОП-транзисторы обычно характеризуются относительно низким R_DS(ON), но высокой паразит-ной емкостью между затвором, стоком и истоком. Другой тип транзисторов на рынке — транзисторы, у которых исток и сток находятся на верху кремниевой структуры (транзисторы с горизонтальной структурой), а ток течет горизонтально. Эти устройства характеризуются средним уровнем R_DS(ON) и относительно низкой паразитной емкостью.

В обоих типах МОП-транзисторов существует четкая взаимосвязь между R_DS(ON) и паразитной ем-костью. Но необходимо помнить, что соотношение RDS(ON) на единицу площади по сравнению с паразитной емкостью на единицу площади для каждого транзистора отличается. Учитывая это, можно получить определенные преимущества. Используя МОП-транзисторы с вертикальной структурой с низким R_DS(ON), проектировщики могут компенсировать увеличенные потери на переключение при использовании больших транзисторов. В то же время потери на переключение при одинаковом R_DS(ON) транзисторов с горизонтальной структурой тока могут быть вдвое меньше, чем у транзисторов с вертикальной структурой, что позволяет им компенсировать большие потери на проводимость. Данную зависимость наглядно демонстрирует следующая формула:

Turn-on Loss = (C_oss + C_P)V²f / 2,

где V — напряжение стока (400–600 В); C_P — паразитная емкость индуктивности (около 20 пФ); f — частота переключения; C_oss — паразитная емкость сток-исток

Два фактора способствуют потерям на переключение: потери на включение (рисунок), или энергия, использующаяся на заряд емкости сток–исток (еще известной как выходная емкость); потери на переходные процессы, или энергия, потерянная при переходных процессах при включении и выключении. Оба эти фактора имеют наиболее серьезное влияние на общие потери при работе устройств на небольшой мощности. Потери, обусловленные R_DS(ON), пропорциональны первичному пиковому току. МОП-транзисторы с вертикальной структурой тока обладают балансом между относительно высокими потерями на переключение и низкими потерями на проводимость. Но для того, чтобы соблюдать этот баланс, при работе на низких мощностях максимальная частота переключения должна быть ограничена.

Рисунок. Упрощенная модель МОП-транзистора по переменному току

Емкость исток–сток (C_oss) присутствует во всех МОП-транзисторах. При каждом рабочем цикле энергия, запасенная в C_oss, рассеивается транзистором, но количество рассеиваемой энергии сильно зависит от его структуры. Транзисторы с горизонтальной структурой обладают паразитной емкостью намного меньшей, чем с вертикальной.

Как пример рассмотрим таблицу 1. Транзистор А — это МОП-транзистор с горизонтальной структурой, а транзисторы B–E — МОП-транзисторы с вертикальной структурой (различных производителей). Транзистор А обладает параметром R_DS(ON), который в 2,5–4 раза выше, чем у других представителей. Но если мы посмотрим на выходную емкость C_oss, то увидим, что она значительно ниже, как и потери на переключение (U = 400 В, C_p = 20 пФ, f = 65 кГц).

МОП-транзисторы с вертикальной структурой имеют низкий R_DS(ON) за счет большей площади площадок истока, стока и затвора, но и из-за этого они обладают большей паразитной емкостью. И напротив, в транзисторах с горизонтальной структурой площадь площадок стока, истока и затвора гораздо меньше, что обуславливает меньшую паразитную емкость.

Потери энергии при переходных процессах также вносят свой вклад в общие потери на переключение. Если мы рассмотрим выключение МОП-транзистора в жесткой топологии, то ток не упадет мгновенно до нуля, канал все еще находится в проводимости, и напряжение, приложенное к каналу сток-исток, обуславливает потери при переходных процессах. Величина этих потерь является функцией от скорости переключения МОП-транзистора (сопротивления затвора, емкостей затвор–исток и затвор–сток). При этом МОП-транзисторы с горизонтальной структурой переключаются быстрее и, тем самым, обладают гораздо меньшими потерями при переходных процессах, чем транзисторы с вертикальной структурой.

Меньшие потери на переходные процессы приводят к меньшим потерям в ряде случаев. К примеру, транзисторы с горизонтальной структурой требуют гораздо меньшего заряда для отпирания. Как показывает таблица 2, транзистор А полностью открыт при напряжении 6 В (VGS = 6 В), притом как транзисторы с вертикальной структурой требуют 10 В. Способность полностью открываться при малых напряжениях обуславливает меньшие потери при включении и оказывает положительное влияние на время отпирания. Например, заряд затвор–исток для МОП-транзистора с R_DS(ON) 1 Ом — 1,3 нКл (для транзистора A). Для других транзисторов диапазон составляет 4,02–6 нКл.

Работа при малых мощностях

При понижении рабочей мощности устройства потери на переключение становятся все более и более значительными. К примеру, на мощности 500 Вт потери на проводимость составляют большую часть потерь транзистора. Кроме того, при работе в этом диапазоне мощностей разработчики обычно используют топологию мягкой коммутации ZVS, которая значительно снижает потери на переключение. Для мощностей 50–70 Вт уровень потерь на проводимость и переключение становится примерно одинаковым. При падении мощности менее 25 Вт потери на переключение начинают доминировать.

Это различие может иметь существенное влияние на выбор проектировщиком наиболее эффективного решения для источников питания средней и малой мощности. Таблица 3 показывает сравнительный расчет потерь для источника питания 35 Вт на базе решения контроллер+МОП-транзистор и на базе микросхемы TOPSwitch (высоковольтное решение от Power Integrations), которая сочетает драйвер, ШИМ-контроллер и защитные функции. На первый взгляд, дискретное решение кажется более эффективным, так как R_DS(ON) микросхемы TOPSwitch в три раза выше, чем R_DS(ON) дискретного решения. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что микросхема TOPSwitch обладает значительно меньшим уровнем потерь на переключение из-за малого уровня потерь при переходных процессах и при включении. В целом решение на микросхеме TOPSwitch обладает на 13% меньшим уровнем потерь по сравнению с дискретным решением.

Как правило, проектировщики при использовании МОП-транзисторов с вертикальной структурой пытаются компенсировать потери на переключение за счет перехода на более низкую рабочую частоту. К примеру, в таблице 3 представленное решение с вертикальной структурой работает на частоте 76 кГц. Напротив, решение на основе транзистора с горизонтальной структурой работает на частоте 132 кГц и при этом обладает меньшими потерями на переключение. Кроме того, при работе схемы на более высокой частоте проектировщики могут использовать трансформаторы меньших типоразмеров при сохранении такой же плотности потока.

Это преимущество позволяет проектировщикам строить высокоэффективные решения, работающие на высокой частоте переключения и характеризующиеся меньшими габаритами и более низкой стоимостью трансформатора.

Вывод

Общее мнение инженеров о том, что потери в МОП-транзисторе являются прямой функцией R_DS(ON), верны лишь частично. Действительно, в устройствах высокой мощности потери на проводимость являются основной причиной потерь мощности в МОП-транзисторах. Но для устройств средней и малой мощности это предположение слишком упрощено. Чтобы рассчитать истинные потери мощности, инженеры должны более тщательно рассмотреть все виды потерь в зависимости от типа используемого МОП-транзистора.