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  • 開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2024-08-12 18:38:19
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    開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程介紹
    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,所有有部分人對于它計(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。
    最惡劣情況的分析
    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)
    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)
    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)
    請看圖
    開關(guān)電源MOS 開關(guān)損耗推導(dǎo)
    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)
    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
    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
    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。
    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)
    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
    對于關(guān)斷時(shí)的損耗計(jì)算跟開通時(shí)的損耗就算推導(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)簡單的結(jié)果。
    開關(guān)電源MOS 開關(guān)損耗推導(dǎo)
    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
    上文是針對反激CCM,對于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。
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