解析开关电源MOS管开关损耗推导过程 看得明明白白

开关损耗是什么意思

开(kai)关损(sun)(sun)(sun)耗(hao)包(bao)括导(dao)通损(sun)(sun)(sun)耗(hao)和(he)(he)截止损(sun)(sun)(sun)耗(hao)。导(dao)通损(sun)(sun)(sun)耗(hao)指(zhi)功率管从(cong)截止到导(dao)通时,所(suo)产生(sheng)的功率损(sun)(sun)(sun)耗(hao)。截止损(sun)(sun)(sun)耗(hao)指(zhi)功率管从(cong)导(dao)通到截止时,所(suo)产生(sheng)的功率损(sun)(sun)(sun)耗(hao)。开(kai)关损(sun)(sun)(sun)耗(hao)（Switching-Loss）包(bao)括开(kai)通损(sun)(sun)(sun)耗(hao)（Turn-on Loss）和(he)(he)关断损(sun)(sun)(sun)耗(hao)(Turn-of Loss)，常常在硬(ying)开(kai)关（Hard-Switching）和(he)(he)软(ruan)开(kai)关（Soft-Switching）中讨(tao)论。

所(suo)谓(wei)开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)通损(sun)耗(hao)（Turn-on Loss），是(shi)(shi)指非理想的(de)开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关管(guan)在(zai)(zai)开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)通时(shi)，开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关管(guan)的(de)电(dian)(dian)压(ya)不是(shi)(shi)立即(ji)下(xia)降到零，而是(shi)(shi)有(you)一(yi)个(ge)(ge)下(xia)降时(shi)间，同时(shi)它的(de)电(dian)(dian)流也不是(shi)(shi)立即(ji)上升(sheng)到负(fu)载电(dian)(dian)流，也有(you)一(yi)个(ge)(ge)上升(sheng)时(shi)间。在(zai)(zai)这(zhei)段(duan)时(shi)间内，开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关管(guan)的(de)电(dian)(dian)流和电(dian)(dian)压(ya)有(you)一(yi)个(ge)(ge)交叠区，会产生(sheng)损(sun)耗(hao)，这(zhei)个(ge)(ge)损(sun)耗(hao)即(ji)为(wei)开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)通损(sun)耗(hao)。以此类比，可以得出关断损(sun)耗(hao)产生(sheng)的(de)原因，这(zhei)里不再赘述(shu)。开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关损(sun)耗(hao)另一(yi)个(ge)(ge)意思(si)是(shi)(shi)指在(zai)(zai)开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关电(dian)(dian)源中，对(dui)大的(de)MOS管(guan)进(jin)行开(kai)(kai)(kai)(kai)(kai)关操作时(shi)，需要对(dui)寄生(sheng)电(dian)(dian)容充放电(dian)(dian)，这(zhei)样也会引起损(sun)耗(hao)。

开关电源MOS开关损耗推导过程解析

电(dian)源(yuan)工(gong)程师(shi)们都(dou)知道开(kai)关(guan)MOS在整个电(dian)源(yuan)系统里面的损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)占比(bi)是不小的，开(kai)关(guan)mos的的损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)我们谈及最多的就是开(kai)通损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)和关(guan)断损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)，由(you)于这两个损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)不像导(dao)通损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)或驱动损(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)(hao)一样那么直观，所有(you)(you)有(you)(you)部分人对于它计算还有(you)(you)些(xie)迷(mi)茫。我们今天以反激CCM模式的开通损耗(hao)和关断损耗(hao)来(lai)把公式推导一番，希望能够给(ji)各(ge)位有所启发。

我们(men)知道这个(ge)损耗(hao)是由于(yu)开通或者关断的(de)(de)(de)那一个(ge)极短的(de)(de)(de)时刻有(you)电压和电流的(de)(de)(de)交叉(cha)而引起(qi)的(de)(de)(de)交越损耗(hao)，所以(yi)我们(men)先得把交越波形(xing)得画出来，然后根据波形(xing)来一步步推导它(ta)的(de)(de)(de)计(ji)算公式。

最恶劣情况的分析

下图(tu)为电(dian)(dian)流与电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)在开关时(shi)交叠的过程，这(zhei)个图(tu)中描(miao)述(shu)的是其实是最(zui)恶劣的情况，开通时(shi)等mos管(guan)电(dian)(dian)流上升(sheng)到(dao)I1之后(hou)mos管(guan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)才开始(shi)(shi)下降，关断时(shi)等mos管(guan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)上升(sheng)到(dao)Vds后(hou)mos管(guan)电(dian)(dian)流才开始(shi)(shi)下降。

最(zui)恶劣的情况分(fen)析：

mos管开通过程

阶段一：电压不变电流(liu)上升(sheng)（电压为Vds不变，电流(liu)由(you)0上升(sheng)到Ip1）

mos开通瞬间，电流从零快(kuai)速开始上升(sheng)到Ip1，此过程MOS的DS电压不变为Vds；

阶段二：电流不变电压(ya)下降（电流为(wei)Ip1不变，电压(ya)由Vds下降到0）

电(dian)(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)(sheng)到Ip1后(hou)，此时(shi)电(dian)(dian)流(liu)的(de)上(shang)升(sheng)(sheng)斜(xie)率（Ip1-Ip2段）相(xiang)对(dui)0-Ip1这(zhei)一瞬间是非常(chang)缓(huan)慢的(de)，我们可以近似把上(shang)升(sheng)(sheng)到Ip1之(zhi)后(hou)继续上(shang)升(sheng)(sheng)的(de)斜(xie)率认为是0，把电(dian)(dian)流(liu)基本(ben)认为是Ip1不(bu)变，此时(shi)MOS管的(de)DS电(dian)(dian)压开始快速下(xia)降到0V。

mos管关断过程

阶段(duan)一：电流(liu)不变(bian)电压上升(sheng)（电流(liu)为Ip2不变(bian)，电压由0上升(sheng)到Vds）

电压从0快速开(kai)始上(shang)升到最高电压Vds，与开(kai)通同理(li)此过程(cheng)MOS的电流基本不(bu)变为Ip2；

阶段二：电压不(bu)变(bian)电流(liu)下降（点压为Vds不(bu)变(bian)，电流(liu)由Ip2下降到(dao)0）

电压此(ci)时为Vds不(bu)变，电流迅速(su)从Ip2以很大的(de)下降(jiang)(jiang)斜(xie)率降(jiang)(jiang)到0。

上面对最恶劣的开关情(qing)况(kuang)做了分析(xi)，但是我根据个(ge)人(ren)的经验这只(zhi)是一场误会(hui)，本人(ren)没发现有(you)这种情(qing)况(kuang)，所以我一般不(bu)用(yong)这种情(qing)况(kuang)来计算开关损耗。

由于本人不(bu)用(yong)，所以(yi)对上述情况不(bu)做详细推导(dao)，下面直接给出(chu)最恶(e)劣(lie)的情况的开(kai)通关断(duan)损耗的计算公(gong)式：

至(zhi)于关(guan)断和(he)开通的交越(yue)时间t下面会给出估(gu)算过程。

个(ge)人认为更符合实际情况的分析与推导，请(qing)看下图。

这(zhei)种情况跟(gen)上一(yi)种情况的不同之(zhi)处就在于：

开(kai)通时：电(dian)流0-Ip1上升的过(guo)程与电(dian)压(ya)Vds-0下(xia)降的过(guo)程同时发生。

关段时：电压0-Vds的上升过程与(yu)电流从Ip2-0的下降(jiang)过程同(tong)时发(fa)生。

开通时的损耗推导

我们(men)先(xian)把(ba)开通(tong)交越时间定位t1，我们(men)大致看上(shang)去用平均(jun)法来计算好像直接可以(yi)看出来，Ip1/2  × Vds/2 *t1*fs，实际上(shang)这(zhei)(zhei)是(shi)不(bu)对的，这(zhei)(zhei)个(ge)过(guo)程实际上(shang)准(zhun)确的计算是(shi)，在时间t内每一个(ge)瞬(shun)时的都(dou)对应(ying)一个(ge)功(gong)率(lv)，然(ran)后(hou)把(ba)这(zhei)(zhei)段时间内所有的瞬(shun)时功(gong)率(lv)累(lei)加(jia)然(ran)后(hou)再除以(yi)开关周期(qi)T或(huo)者乘以(yi)开关频率(lv)fs。好了(le)(le)思想有了(le)(le)就只剩下(xia)数(shu)学问题(ti)了(le)(le)，我们(men)一起(qi)来看下(xia)。

对于此式，Vds、Ip1在计算变压器时已经计算出(chu)来(lai)，fs是(shi)开(kai)关(guan)频(pin)率是(shi)已知的，所以只要求出(chu)t1就能估(gu)算出(chu)开(kai)通损耗(hao)。

下面我来(lai)(lai)说一下t1的估算方(fang)法，思(si)路(lu)是根(gen)据(ju)MOS管(guan)datasheet给出(chu)的栅(zha)极总(zong)电荷量(liang)来(lai)(lai)计(ji)算时间(jian)t1，用(yong)公(gong)式Qg=i*t来(lai)(lai)计(ji)算。

我们来看(kan)看(kan)上(shang)(shang)图是驱(qu)动的(de)过程，Vth为MOS管(guan)的(de)开通阈值(zhi)，Vsp为MOS管(guan)的(de)米(mi)勒平(ping)台，实际上(shang)(shang)MOS管(guan)从开始导通到饱和(he)导通的(de)过程是从驱(qu)动电压a点(dian)到b点(dian)这(zhei)个区间(jian)。

其(qi)中栅极总电荷Gg是可以在(zai)mos管的datasheet中可以查询到的。

然后就是(shi)要求这(zhei)段时间(jian)的驱动电(dian)流，我们(men)看下图，这(zhei)个电(dian)流结合你(ni)的实际驱动电(dian)路来取值的。

根据你的(de)(de)驱动(dong)电(dian)阻R1的(de)(de)值和米勒平(ping)台(tai)电(dian)压可以把电(dian)流i计算出来。米勒平(ping)台(tai)电(dian)压Vsp也可以在(zai)MOS管的(de)(de)datasheet中可以查(cha)到。

然后(hou)再根(gen)据你的实际驱动电压（实际上就是近似等于芯片(pian)Vcc供电电压），实物(wu)电压做出来之前，在理论估算阶段可以自己先(xian)预设(she)定一个，比如预设(she)15V。

我们计算时(shi)把Vth到Vsp这一段把它(ta)近(jin)似看(kan)成都等(deng)于(yu)Vsp，然后(hou)就很(hen)好(hao)计算出(chu)i了。

i=(Vcc-Vsp)/R1

此刻(ke)驱动(dong)电流i已经求出，接下来计算平台时(shi)间（a点(dian)到b点(dian)）t1.

Qg=i*t1

t1=Qg/i

接下来我们总(zong)结一下开关MOS开通时的损耗计(ji)算(suan)公式

i=(Vcc-Vsp)/R1  计算平台(tai)处(chu)驱(qu)动电流

t1=Qg/i  计(ji)算(suan)平台的持(chi)续时间(jian)（也就是mos开通时，电(dian)压电(dian)流的交越时间(jian)）

Pon=1/6*Vds*Ip1*t1*fs

关断时的损耗

对(dui)于关断时(shi)的(de)损耗计算跟开通时(shi)的(de)损耗就算推导方式(shi)没什么区别(bie)，这里给出一(yi)个简单的(de)结果。

i=(Vsp)/R2  计算平台处(chu)驱动电流

t1=Qg/i     计算平(ping)台的(de)持续(xu)时(shi)间(jian)（也(ye)就(jiu)是mos关断时(shi)，电压(ya)电流的(de)交越时(shi)间(jian)）

Ptoff=1/6*Vds*Ip1*t1*fs

上(shang)文是(shi)针对(dui)反(fan)激CCM，对(dui)于DCM的(de)(de)计算方法(fa)是(shi)一样的(de)(de)，不(bu)过DCM下Ip1为0，开通(tong)损耗是(shi)可(ke)以(yi)忽略不(bu)计的(de)(de)，关(guan)断损耗计算方法(fa)一样。

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