主要原因在于开关损耗的增加。
以下是详细的解释:
损耗的组成:
导通损耗: 当MOSFET完全导通时(处于线性区或饱和区,取决于负载),电流流过沟道电阻(Rds(on))产生的热量。导通损耗 ≈ I² * Rds(on) * D (其中 I 是负载电流,D 是占空比)。这个损耗与开关频率基本无关。
开关损耗: 发生在MOSFET从关断状态转换到导通状态,以及从导通状态转换到关断状态的过程中。在这个过程中,MOSFET会短暂地同时承受较高的漏源电压(Vds)和流过较大的漏极电流(Id)。这个损耗与开关频率直接相关。
开关损耗是如何产生的?
开关过程不是瞬间完成的: 给栅极电容(Cgs, Cgd)充电/放电需要时间(由驱动电路的驱动能力和栅极电阻决定),使得沟道的开启和关闭有一个过渡过程(上升时间tr和下降时间tf)。
电压和电流重叠: 在开关过渡期间(特别是开通的上升沿和关断的下降沿),Vds不会瞬间降到0,Id也不会瞬间升到最大值或降到0。它们会有一个“交叉”区域,在这个区域里,MOSFET同时承受着显著的Vds和Id。
瞬时功率损耗: 在这个交叉区域,MOSFET上的瞬时功率损耗 P_instant = Vds(t) * Id(t) 会很高。
每次开关的能量损耗: 每次开通(Eon)和每次关断(Eoff)过程消耗的能量,就是这个高瞬时功率在开关时间(tr, tf)上的积分。
平均开关损耗: 开关频率(Fsw)越高,单位时间内发生的开关次数就越多。因此,平均开关损耗为:P_sw = (Eon + Eoff) * Fsw。这个损耗随频率线性增加。
为什么高频下发热更严重?
当开关频率较低时,开关损耗 P_sw 相对较小,总损耗主要由导通损耗 P_cond 主导。
随着开关频率升高:
导通损耗 P_cond 保持不变(只要占空比D和负载电流I不变)。
开关损耗 P_sw 线性增加。
总损耗 P_total = P_cond + P_sw 因此会随着频率升高而显著增加。
增加的损耗最终几乎全部转化为热量,导致MOSFET结温升高。如果散热设计没有相应加强,就会观察到明显的发热加剧现象。
其他高频相关损耗(加剧发热):
栅极驱动损耗: 每次开关都需要对栅极电容(Ciss)进行充放电。驱动损耗 P_gate ≈ Qg * Vgs * Fsw (Qg是栅极总电荷)。这个损耗也随频率线性增加,虽然通常比开关损耗小,但也贡献了额外的热量。
输出电容损耗: 关断时,漏源电容(Coss)会被充电到Vds。开通时,这个储存的能量大部分会通过MOSFET本身泄放掉(部分损耗在器件内)。P_coss ≈ (1/2) * Coss * Vds² * Fsw。这个损耗也随频率增加。
反向恢复损耗(如果体二极管导通): 在桥式电路(如半桥、全桥)中,当互补管导通时,本管的体二极管会先导通一小段时间(死区时间),然后被硬关断(反向恢复)。这个反向恢复过程会产生损耗 P_rr ≈ Qrr * Vds * Fsw (Qrr是反向恢复电荷)。频率越高,单位时间内发生的反向恢复事件越多。
磁芯损耗: 虽然这不是MOSFET本身的损耗,但高开关频率会显著增加电路中电感器、变压器的磁芯损耗(磁滞损耗和涡流损耗)。这部分热量也会提升整个系统的温度,间接影响MOSFET的散热环境。
总结与关键点:
核心原因: 高频下,每次开关过程固有的能量损耗(Eon + Eoff)被更频繁地累积,导致平均开关损耗 P_sw 线性增加。
次要原因: 栅极驱动损耗、输出电容损耗、体二极管反向恢复损耗也随频率增加。
结果: 总功率损耗上升,转化为更多的热量,使MOSFET发热更严重。
权衡: 提高开关频率可以减小无源元件(电感、电容)的体积和成本,但代价是更高的开关损耗和潜在的散热挑战。设计时需要在频率、效率、体积、成本之间进行优化。
因此,在设计高频开关电路时,必须特别关注:
选择具有低栅极电荷(Qg)、低开关损耗(Eon, Eoff)、低输出电容(Coss) 和快速体二极管(低Qrr)的MOSFET。
设计强大且低阻抗的栅极驱动电路(足够的驱动电流/电压,优化栅极电阻Rg),以最小化开关时间(tr, tf),从而降低每次开关的能量损耗(Eon, Eoff)。
采用更高效的散热方案(更好的散热器、更优的PCB布局散热、强制风冷甚至水冷)。
仔细考虑死区时间的设置,以平衡体二极管导通损耗和直通风险。
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