MOS管開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗分析

人們對開關(guān)電源的要求越來越高，要求開關(guān)電源的體積越來越小，這也意味著開關(guān)頻率越來越高。隨著開關(guān)頻率的提高，降低變換器的開關(guān)損耗也變得極其重要。開關(guān)頻率越高，每秒鐘開關(guān)管改變狀態(tài)的次數(shù)就越多，開關(guān)損耗也就越大。這次就來弄清楚在每次開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中所發(fā)生事件的基本時序。

一、開關(guān)損耗

(一)阻性負(fù)載時的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程：

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圖中作為理想的N溝道MOS討論：其特性如下：

1、當(dāng)Vgs=0時MOS管完全關(guān)斷；當(dāng)Vgs高于參考地時，開始導(dǎo)通。

2、漏極電流與柵極電壓之比定義為MOS的跨導(dǎo)g，以歐姆（ohm）為單位，即是歐姆的反寫。

3、圖中假定MOS的跨導(dǎo)g為常數(shù)，等于1;為了便于描述，賦予輸入電壓Vin=10V,外部電阻R=1ohm,柵極電壓隨時間線性增加時，即t=1s,2s,3s時，Vgs=1V,2V,3V。

分析過程如下：

(1).當(dāng)t=0s時，Vgs=0V,MOS管關(guān)閉，Id=0A,MOS管漏極電壓Vd=10V;

(2).當(dāng)t=1s時，Vgs=1V,由跨導(dǎo)方程可得Id=1A,則在1ohm電阻上的壓降為1V，MOS管漏極電壓Vd=10V-1V=9V；

(3).當(dāng)t=2s時,Vgs=2V, 由跨導(dǎo)方程可得Id=2A,則在1ohm電阻上的壓降為2V，MOS管漏極電壓Vd=10V-2V=8V；柵極電壓隨時間線性增加到10s時，Vgs=10V,Id=10A,MOS管完全導(dǎo)通即Vd=0V.則MOS管從關(guān)閉到導(dǎo)通的交叉時間tcross=10s,同時，漏極電流和漏極電壓他們是隨時間一直在線性變化的。

在轉(zhuǎn)換過程中，MOS管的損耗，可通過計算t=1,2,3,4…秒時的瞬時交叉乘積Vds(t)*Id(t).如果將這些點連成線，可以得到以下所示的鐘型曲線。因此，求解交叉損耗就是計算該曲線下方的凈面積。需要用到積分的方式去計算，通過求解交叉乘積對時間的積分，則阻性負(fù)載開關(guān)管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程中損耗為：E=1/6*Vin*Idmax*tcross（J）。

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那么MOS管關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗與導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗是一樣的，盡管關(guān)斷轉(zhuǎn)換中電壓是上升，電流下降。所以每個周期都有導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程。

當(dāng)以fswHz的頻率重復(fù)開關(guān)管的開關(guān)過程，則單位時間內(nèi)以熱形式損耗的總損耗。等于：Psw=1/3*Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

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（二）感性負(fù)載時的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程

當(dāng)切換到感性負(fù)載時，需要考慮到電感的特性。當(dāng)電流變化時，電壓保持不變；而當(dāng)電壓變化時，電流保持不變。所以計算下圖感性負(fù)載時的交叉損耗可以有更簡單的辦法。因為當(dāng)一個參數(shù)(V 或者I)變化，另外一個參數(shù)不變，則可用平均電流Idmax/2和平均電壓Vin/2計算平均乘積。則可得出導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時的開關(guān)損耗為：E=(Vin/2*Idmax*tcross/2)+(Vin*Idmax/2*tcross/2)=1/2*Vin*Idmax*tcross所以，以fswHz的頻率重復(fù)開關(guān)管的開關(guān)過程（導(dǎo)通和關(guān)斷行為）所產(chǎn)生的總損耗為：Psw= Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

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二、導(dǎo)通損耗

開關(guān)管導(dǎo)通時，開關(guān)管壓降在許多情況是遠大于零的。導(dǎo)通時有顯著的V*I損耗，這種特殊的損耗就是導(dǎo)通損耗Pcond.它與交叉損耗相當(dāng)，甚至更大。

與交叉損耗不同，導(dǎo)通損耗與頻率無關(guān)。它取決于占空比，而不是頻率。例如，假設(shè)占空比為0.6，那么在1s的測量時間間隔內(nèi)，開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)的凈時間為0.6s。因此，在這種情況下，導(dǎo)通損耗等于a*0.6,a是任意的比例常數(shù)。若是把頻率加倍，則1s內(nèi)導(dǎo)通狀態(tài)的凈時間認(rèn)為0.6s，則導(dǎo)通損耗仍然為a*0.6。但若是把占空比由0.6變?yōu)?.4，則導(dǎo)通損耗減少至a*0.4.所以，導(dǎo)通損耗是取決于占空比，而非頻率。

所以，MOS管導(dǎo)通損耗的簡單方程如下：Pcond=Irms^2*Rds (W)  Rds是MOS導(dǎo)通內(nèi)阻。減少導(dǎo)通損耗最明顯的方法是降低二極管和開關(guān)管的正向壓降。

要使用低正向壓降的二極管，如肖特基二極管。同理，要使用低導(dǎo)通阻抗Rds的MOS管。但必須折中考慮。減少MOS管的Rds時，其開關(guān)速度也會受到負(fù)面影響。

減少MOS管損耗的方法

減小開關(guān)損耗一方面要盡可能地制造出具有理想開關(guān)特性的器件,另一方面利用新的線路技術(shù)改變器件開關(guān)時期的波形,如:晶體管緩沖電路,諧振電路,和軟開關(guān)技術(shù)等。

1)晶體管緩沖電路(即加吸收網(wǎng)絡(luò)技術(shù))早期電源多采用此線路技術(shù)。采用此電路, 功率損耗雖有所減小,但仍不是很理想。

①減少導(dǎo)通損耗在變壓器次級線圈后面加飽和電感, 加反向恢復(fù)時間快的二極管,利用飽和電感阻礙電流變化的特性, 限制電流上升的速率,使電流與電壓的波形盡可能小地重疊。

②減少截止損耗加R 、C 吸收網(wǎng)絡(luò), 推遲變壓器反激電壓發(fā)生時間, 最好在電流為0時產(chǎn)生反激電壓,此時功率損耗為0。該電路利用電容上電壓不能突變的特性,推遲反激電壓發(fā)生時間。

為了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此電路有明顯缺點:因為電阻的存在,導(dǎo)致吸收網(wǎng)絡(luò)有損耗 。

(2)諧振電路

該電路只改變開關(guān)瞬間電流波形,不改變導(dǎo)通時電流波形。只要選擇好合適的L 、C ,結(jié)合二極管結(jié)電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時,

開關(guān)管導(dǎo)通或截止。因此, 采用諧振技術(shù)可使開關(guān)損耗很小。所以,電源開關(guān)頻率可以做到術(shù)結(jié)構(gòu)380kHz的高頻率。

(3)軟開關(guān)技術(shù)

該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關(guān)管導(dǎo)通時起鉗位作用, 并構(gòu)成瀉放回路, 瀉放電流。電容在反激電壓作用下, 電容被充電, 電壓不能突然增加, 當(dāng)電壓比較大的時侯, 電流已經(jīng)為0。
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