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開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解

發(fā)布時(shí)間:2021-03-12 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電源工程師們都知道開關(guān)MOS在整個(gè)電源系統(tǒng)里面的損耗占比是不小的,開關(guān)mos的的損耗我們談及最多的就是開通損耗和關(guān)斷損耗,由于這兩個(gè)損耗不像導(dǎo)通損耗或驅(qū)動(dòng)損耗一樣那么直觀,所以有部分人對(duì)于它計(jì)算還有些迷茫。
    
電源工程師們都知道開關(guān)MOS在整個(gè)電源系統(tǒng)里面的損耗占比是不小的,開關(guān)mos的的損耗我們談及最多的就是開通損耗和關(guān)斷損耗,由于這兩個(gè)損耗不像導(dǎo)通損耗或驅(qū)動(dòng)損耗一樣那么直觀,所以有部分人對(duì)于它計(jì)算還有些迷茫。
 
我們今天以反激CCM模式的開通損耗和關(guān)斷損耗來把公式推導(dǎo)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出來,然后根據(jù)波形來一步步推導(dǎo)它的計(jì)算公式。
 
我們一起來看圖
 
下圖為電流與電壓在開關(guān)時(shí)交疊的過程,這個(gè)圖中描述的是其實(shí)是最惡劣的情況,開通時(shí)等mos管電流上升到I1之后mos管電壓才開始下降,關(guān)斷時(shí)等mos管電壓上升到Vds后mos管電流才開始下降。
 
最惡劣的情況分析:
 
 開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
mos管開通過程
 
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開通瞬間,電流從零快速開始上升到Ip1,此過程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(duì)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(xù)上升的斜率認(rèn)為是0,把電流基本認(rèn)為是Ip1不變,此時(shí)MOS管的DS電壓開始快速下降到0V。
 
mos管關(guān)斷過程
 
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快速開始上升到最高電壓Vds,與開通同理此過程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(duì)最惡劣的開關(guān)情況做了分析,但是我根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)這只是一場(chǎng)誤會(huì),本人沒發(fā)現(xiàn)有這種情況,所以我一般不用這種情況來計(jì)算開關(guān)損耗。
 
由于本人不用,所以對(duì)上述情況不做詳細(xì)推導(dǎo),下面直接給出最惡劣的情況的開通關(guān)斷損耗的計(jì)算公式
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
至于關(guān)斷和開通的交越時(shí)間t下面會(huì)給出估算過程。個(gè)人認(rèn)為更符合實(shí)際情況的分析與推導(dǎo)
 
請(qǐng)看圖
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
這種情況跟上一種情況的不同之處就在于:
 
開通時(shí):電流0-Ip1上升的過程與電壓Vds-0下降的過程同時(shí)發(fā)生。
關(guān)段時(shí):電壓0-Vds的上升過程與電流從Ip2-0的下降過程同時(shí)發(fā)生。
 
開通時(shí)的損耗推導(dǎo)
 
我們先把開通交越時(shí)間定位t1。
 
我們大致看上去用平均法來計(jì)算好像直接可以看出來,Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs,實(shí)際上這是不對(duì)的,這個(gè)過程實(shí)際上準(zhǔn)確的計(jì)算是,在時(shí)間t內(nèi)每一個(gè)瞬時(shí)的都對(duì)應(yīng)一個(gè)功率,然后把這段時(shí)間內(nèi)所有的瞬時(shí)功率累加然后再除以開關(guān)周期T或者乘以開關(guān)頻率fs。好了,思想有了就只剩下數(shù)學(xué)問題了,我們一起來看下。
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
下面我來說一下t1的估算方法
 
思路是根據(jù)MOS管datasheet給出的柵極總電荷量來計(jì)算時(shí)間t1,用公式Qg=i*t來計(jì)算。
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
我們來看看上圖是驅(qū)動(dòng)的過程,Vth為MOS管的開通閾值,Vsp為MOS管的米勒平臺(tái),實(shí)際上MOS管從開始導(dǎo)通到飽和導(dǎo)通的過程是從驅(qū)動(dòng)電壓a點(diǎn)到b點(diǎn)這個(gè)區(qū)間。
 
其中柵極總電荷Gg是可以在mos管的datasheet中可以查詢到的
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
然后就是要求這段時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電流,我們看下圖,這個(gè)電流結(jié)合你的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路來取值的。
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
根據(jù)你的驅(qū)動(dòng)電阻R1的值和米勒平臺(tái)電壓可以把電流i計(jì)算出來。
 
米勒平臺(tái)電壓Vsp也可以在MOS管的datasheet中可以查到。
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
然后再根據(jù)你的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓(實(shí)際上就是近似等于芯片Vcc供電電壓),實(shí)物電壓做出來之前,在理論估算階段可以自己先預(yù)設(shè)定一個(gè),比如預(yù)設(shè)15V。
 
我們計(jì)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(jì)算出i了。
 
i=(Vcc-Vsp)/R1
 
此刻驅(qū)動(dòng)電流i已經(jīng)求出,接下來計(jì)算平臺(tái)時(shí)間(a點(diǎn)到b點(diǎn))t1。
 
Qg=i*t1
 
t1=Qg/i
 
到此時(shí)基本差不多了。
 
好了我們來總結(jié)一下開關(guān)MOS開通時(shí)的損耗計(jì)算公式
 
i=(Vcc-Vsp)/R1 計(jì)算平臺(tái)處驅(qū)動(dòng)電流
 
t1=Qg/i 計(jì)算平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間(也就是mos開通時(shí),電壓電流的交越時(shí)間)
 
Pon=1/6*Vds*Ip1*t1*fs
 
關(guān)斷時(shí)的損耗
 
對(duì)于關(guān)斷時(shí)的損耗計(jì)算跟開通時(shí)的損耗推導(dǎo)方式?jīng)]什么區(qū)別,我在這里就不在贅述了,我給出一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)果。
 
開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程詳解
 
i=(Vsp)/R2 計(jì)算平臺(tái)處驅(qū)動(dòng)電流
 
t1=Qg/i 計(jì)算平臺(tái)的持續(xù)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(duì)反激CCM,對(duì)于DCM的計(jì)算方法是一樣的,不過DCM下Ip1為0,開通損耗是可以忽略不計(jì)的,關(guān)斷損耗計(jì)算方法一樣。
 
(來源:電源研發(fā)精英圈)
 
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