解析開(kāi)關(guān)電源MOS管開(kāi)關(guān)損耗推導過(guò)程 看得明明白白-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-07-18
開(kāi)關(guān)損耗包括導通損耗和截止損耗。導通損耗指功率管從截止到導通時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導通到截止時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。開(kāi)關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開(kāi)通損耗（Turn-on Loss）和關(guān)斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開(kāi)關(guān)（Hard-Switching）和軟開(kāi)關(guān)（Soft-Switching）中討論。
所謂開(kāi)通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間內，開(kāi)關(guān)管的電流和電壓有一個(gè)交疊區，會(huì )產(chǎn)生損耗，這個(gè)損耗即為開(kāi)通損耗。以此類(lèi)比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開(kāi)關(guān)損耗另一個(gè)意思是指在開(kāi)關(guān)電源中，對大的MOS管進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，需要對寄生電容充放電，這樣也會(huì )引起損耗。
電源工程師們都知道開(kāi)關(guān)MOS在整個(gè)電源系統里面的損耗占比是不小的，開(kāi)關(guān)mos的的損耗我們談及最多的就是開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，由于這兩個(gè)損耗不像導通損耗或驅動(dòng)損耗一樣那么直觀(guān)，所有有部分人對于它計算還有些迷茫。我們今天以反激CCM模式的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗來(lái)把公式推導一番，希望能夠給各位有所啟發(fā)。
我們知道這個(gè)損耗是由于開(kāi)通或者關(guān)斷的那一個(gè)極短的時(shí)刻有電壓和電流的交叉而引起的交越損耗，所以我們先得把交越波形得畫(huà)出來(lái)，然后根據波形來(lái)一步步推導它的計算公式。
下圖為電流與電壓在開(kāi)關(guān)時(shí)交疊的過(guò)程，這個(gè)圖中描述的是其實(shí)是最?lèi)毫拥那闆r，開(kāi)通時(shí)等mos管電流上升到I1之后mos管電壓才開(kāi)始下降，關(guān)斷時(shí)等mos管電壓上升到Vds后mos管電流才開(kāi)始下降。
最?lèi)毫拥那闆r分析：
階段一：電壓不變電流上升（電壓為Vds不變，電流由0上升到Ip1）
mos開(kāi)通瞬間，電流從零快速開(kāi)始上升到Ip1，此過(guò)程MOS的DS電壓不變?yōu)閂ds；
階段二：電流不變電壓下降（電流為Ip1不變，電壓由Vds下降到0）
電流上升到Ip1后，此時(shí)電流的上升斜率（Ip1-Ip2段）相對0-Ip1這一瞬間是非常緩慢的，我們可以近似把上升到Ip1之后繼續上升的斜率認為是0，把電流基本認為是Ip1不變，此時(shí)MOS管的DS電壓開(kāi)始快速下降到0V。
階段一：電流不變電壓上升（電流為Ip2不變，電壓由0上升到Vds）
電壓從0快速開(kāi)始上升到最高電壓Vds，與開(kāi)通同理此過(guò)程MOS的電流基本不變?yōu)镮p2；
階段二：電壓不變電流下降（點(diǎn)壓為Vds不變，電流由Ip2下降到0）
電壓此時(shí)為Vds不變，電流迅速從Ip2以很大的下降斜率降到0。
上面對最?lèi)毫拥拈_(kāi)關(guān)情況做了分析，但是我根據個(gè)人的經(jīng)驗這只是一場(chǎng)誤會(huì )，本人沒(méi)發(fā)現有這種情況，所以我一般不用這種情況來(lái)計算開(kāi)關(guān)損耗。
由于本人不用，所以對上述情況不做詳細推導，下面直接給出最?lèi)毫拥那闆r的開(kāi)通關(guān)斷損耗的計算公式：
至于關(guān)斷和開(kāi)通的交越時(shí)間t下面會(huì )給出估算過(guò)程。
個(gè)人認為更符合實(shí)際情況的分析與推導，請看下圖。
這種情況跟上一種情況的不同之處就在于：
開(kāi)通時(shí)：電流0-Ip1上升的過(guò)程與電壓Vds-0下降的過(guò)程同時(shí)發(fā)生。
關(guān)段時(shí)：電壓0-Vds的上升過(guò)程與電流從Ip2-0的下降過(guò)程同時(shí)發(fā)生。
我們先把開(kāi)通交越時(shí)間定位t1，我們大致看上去用平均法來(lái)計算好像直接可以看出來(lái)，Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs，實(shí)際上這是不對的，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上準確的計算是，在時(shí)間t內每一個(gè)瞬時(shí)的都對應一個(gè)功率，然后把這段時(shí)間內所有的瞬時(shí)功率累加然后再除以開(kāi)關(guān)周期T或者乘以開(kāi)關(guān)頻率fs。好了思想有了就只剩下數學(xué)問(wèn)題了，我們一起來(lái)看下。
對于此式，Vds、Ip1在計算變壓器時(shí)已經(jīng)計算出來(lái)，fs是開(kāi)關(guān)頻率是已知的，所以只要求出t1就能估算出開(kāi)通損耗。
下面我來(lái)說(shuō)一下t1的估算方法，思路是根據MOS管datasheet給出的柵極總電荷量來(lái)計算時(shí)間t1，用公式Qg=i*t來(lái)計算。
我們來(lái)看看上圖是驅動(dòng)的過(guò)程，Vth為MOS管的開(kāi)通閾值，Vsp為MOS管的米勒平臺，實(shí)際上MOS管從開(kāi)始導通到飽和導通的過(guò)程是從驅動(dòng)電壓a點(diǎn)到b點(diǎn)這個(gè)區間。
其中柵極總電荷Gg是可以在mos管的datasheet中可以查詢(xún)到的。
然后就是要求這段時(shí)間的驅動(dòng)電流，我們看下圖，這個(gè)電流結合你的實(shí)際驅動(dòng)電路來(lái)取值的。
根據你的驅動(dòng)電阻R1的值和米勒平臺電壓可以把電流i計算出來(lái)。米勒平臺電壓Vsp也可以在MOS管的datasheet中可以查到。
然后再根據你的實(shí)際驅動(dòng)電壓（實(shí)際上就是近似等于芯片Vcc供電電壓），實(shí)物電壓做出來(lái)之前，在理論估算階段可以自己先預設定一個(gè)，比如預設15V。
我們計算時(shí)把Vth到Vsp這一段把它近似看成都等于Vsp，然后就很好計算出i了。
i=(Vcc-Vsp)/R1
此刻驅動(dòng)電流i已經(jīng)求出，接下來(lái)計算平臺時(shí)間（a點(diǎn)到b點(diǎn)）t1.
Qg=i*t1
t1=Qg/i
接下來(lái)我們總結一下開(kāi)關(guān)MOS開(kāi)通時(shí)的損耗計算公式
i=(Vcc-Vsp)/R1 計算平臺處驅動(dòng)電流
t1=Qg/i 計算平臺的持續時(shí)間（也就是mos開(kāi)通時(shí)，電壓電流的交越時(shí)間）
Pon=1/6*Vds*Ip1*t1*fs
對于關(guān)斷時(shí)的損耗計算跟開(kāi)通時(shí)的損耗就算推導方式?jīng)]什么區別，這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單的結果。
i=(Vsp)/R2 計算平臺處驅動(dòng)電流
t1=Qg/i 計算平臺的持續時(shí)間（也就是mos關(guān)斷時(shí)，電壓電流的交越時(shí)間）
Ptoff=1/6*Vds*Ip1*t1*fs
上文是針對反激CCM，對于DCM的計算方法是一樣的，不過(guò)DCM下Ip1為0，開(kāi)通損耗是可以忽略不計的，關(guān)斷損耗計算方法一樣。
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