MOS管開關損耗以及導通損耗分析

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

一、開關損耗

(一)阻性負載時的開關轉換過程：

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圖中作為理想的N溝道MOS討論：其特性如下：

1、當Vgs=0時MOS管完全關斷；當Vgs高于參考地時，開始導通。

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

3、圖中假定MOS的跨導g為常數，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t=0s時，Vgs=0V,MOS管關閉，Id=0A,MOS管漏極電壓Vd=10V;

(2).當t=1s時，Vgs=1V,由跨導方程可得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t=2s時,Vgs=2V, 由跨導方程可得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管完全導通即Vd=0V.則MOS管從關閉到導通的交叉時間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，則阻性負載開關管導通轉換過程中損耗為：E=1/6*Vin*Idmax*tcross（J）。

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

當以fswHz的頻率重復開關管的開關過程，則單位時間內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）感性負載時的開關轉換過程

當切換到感性負載時，需要考慮到電感的特性。當電流變化時，電壓保持不變；而當電壓變化時，電流保持不變。所以計算下圖感性負載時的交叉損耗可以有更簡單的辦法。因為當一個參數(V 或者I)變化，另外一個參數不變，則可用平均電流Idmax/2和平均電壓Vin/2計算平均乘積。則可得出導通轉換時的開關損耗為：E=(Vin/2*Idmax*tcross/2)+(Vin*Idmax/2*tcross/2)=1/2*Vin*Idmax*tcross所以，以fswHz的頻率重復開關管的開關過程（導通和關斷行為）所產生的總損耗為：Psw= Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

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二、導通損耗

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

與交叉損耗不同，導通損耗與頻率無關。它取決于占空比，而不是頻率。例如，假設占空比為0.6，那么在1s的測量時間間隔內，開關管處于導通狀態的凈時間為0.6s。因此，在這種情況下，導通損耗等于a*0.6,a是任意的比例常數。若是把頻率加倍，則1s內導通狀態的凈時間認為0.6s，則導通損耗仍然為a*0.6。但若是把占空比由0.6變為0.4，則導通損耗減少至a*0.4.所以，導通損耗是取決于占空比，而非頻率。

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

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

減少MOS管損耗的方法

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

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

①減少導通損耗在變壓器次級線圈后面加飽和電感, 加反向恢復時間快的二極管,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 吸收網絡, 推遲變壓器反激電壓發生時間, 最好在電流為0時產生反激電壓,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,導致吸收網絡有損耗 。

(2)諧振電路

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

開關管導通或截止。因此, 采用諧振技術可使開關損耗很小。所以,電源開關頻率可以做到術結構380kHz的高頻率。

(3)軟開關技術

該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關管導通時起鉗位作用, 并構成瀉放回路, 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, 當電壓比較大的時侯, 電流已經為0。

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