反激CCM模式的開關(guān)電源MOS開關(guān)損耗推導(dǎo)過程

電源工程師們都知道開關(guān)MOS在整個電源系統(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，由于這兩個損耗不像導(dǎo)通損耗或驅(qū)動損耗一樣那么直觀，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)。

我們知道這個損耗是由于開通或者關(guān)斷的那一個極短的時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)它的計算公式。

我們一起來看圖

下圖為電流與電壓在開關(guān)時交疊的過程，這個圖中描述的是其實是最惡劣的情況，開通時等mos管電流上升到I1之后mos管電壓才開始下降，關(guān)斷時等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：

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)上升的斜率認為是0，把電流基本認為是Ip1不變，此時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（點壓為Vds不變，電流由Ip2下降到0）

電壓此時為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)個人的經(jīng)驗這只是一場誤會，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算開關(guān)損耗。

由于本人不用，所以對上述情況不做詳細推導(dǎo)，下面直接給出最惡劣的情況的開通關(guān)斷損耗的計算公式

至于關(guān)斷和開通的交越時間t下面會給出估算過程。

個人認為更符合實際情況的分析與推導(dǎo)

請看圖

這種情況跟上一種情況的不同之處就在于：

開通時：電流0-Ip1上升的過程與電壓Vds-0下降的過程同時發(fā)生。

關(guān)段時：電壓0-Vds的上升過程與電流從Ip2-0的下降過程同時發(fā)生。

開通時的損耗推導(dǎo)

我們先把開通交越時間定位t1

我們大致看上去用平均法來計算好像直接可以看出來，Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs，實際上這是不對的，這個過程實際上準確的計算是，在時間t內(nèi)每一個瞬時的都對應(yīng)一個功率，然后把這段時間內(nèi)所有的瞬時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。

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算時間t1

用公式Qg=i*t來計算

我們來看看上圖是驅(qū)動的過程，Vth為MOS管的開通閾值，Vsp為MOS管的米勒平臺，實際上MOS管從開始導(dǎo)通到飽和導(dǎo)通的過程是從驅(qū)動電壓a點到b點這個區(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間的驅(qū)動電流，我們看下圖，這個電流結(jié)合你的實際驅(qū)動電路來取值的。

根據(jù)你的驅(qū)動電阻R1的值和米勒平臺電壓可以把電流i計算出來。

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(jù)你的實際驅(qū)動電壓（實際上就是近似等于芯片Vcc供電電壓），實物電壓做出來之前，在理論估算階段可以自己先預(yù)設(shè)定一個，比如預(yù)設(shè)15V。

我們計算時把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(qū)動電流i已經(jīng)求出，接下來計算平臺時間（a點到b點）t1.

Qg=i*t1

t1=Qg/i

到此時基本差不多了

好了我們來總結(jié)一下開關(guān)MOS開通時的損耗計算公式

i=（Vcc-Vsp）/R1 計算平臺處驅(qū)動電流

t1=Qg/i 計算平臺的持續(xù)時間（也就是mos開通時，電壓電流的交越時間）

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

關(guān)斷時的損耗

對于關(guān)斷時的損耗計算跟開通時的損耗就算推導(dǎo)方式?jīng)]什么區(qū)別，我在這里就不在贅述了，我給出一個簡單的結(jié)果。

i=（Vsp）/R2 計算平臺處驅(qū)動電流

t1=Qg/i 計算平臺的持續(xù)時間（也就是mos關(guān)斷時，電壓電流的交越時間）

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DCM下Ip1為0，開通損耗是可以忽略不計的，關(guān)斷損耗計算方法一樣。

責任編輯：haq