MOS管知识-MOS管开关损耗和导通损耗分析

人们对开(kai)关(guan)(guan)电(dian)源的要求越来(lai)越高，要求开(kai)关(guan)(guan)电(dian)源的体(ti)积越来(lai)越小(xiao)，这也(ye)意味(wei)着开(kai)关(guan)(guan)频率越来(lai)越高。随着开(kai)关(guan)(guan)频率的提高，降(jiang)低变换(huan)器的开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)也(ye)变得极其重要。开(kai)关(guan)(guan)频率越高，每(mei)秒钟开(kai)关(guan)(guan)管(guan)改变状(zhuang)态的次数就(jiu)越多(duo)，开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)也(ye)就(jiu)越大。这次就(jiu)来(lai)弄清(qing)楚在每(mei)次开(kai)关(guan)(guan)转换(huan)过程中(zhong)所(suo)发生事件的基(ji)本时(shi)序(xu)。

一、开关损耗

(一)阻性负载时的开关转换过程：

图(tu)中作(zuo)为理(li)想的N沟道MOS讨论：其特(te)性如(ru)下：

1、当(dang)Vgs=0时(shi)MOS管完全(quan)关(guan)断；当(dang)Vgs高于参考(kao)地(di)时(shi)，开始导通。

2、漏极电(dian)流与(yu)栅极电(dian)压之比定义为MOS的跨导(dao)g，以欧姆(mu)（ohm）为单位，即是(shi)欧姆(mu)的反写。

3、图中假(jia)定MOS的跨导g为常数，等于1;

为了便于描述，赋予输(shu)入电压(ya)Vin=10V,外部电阻R=1ohm,栅极(ji)电压(ya)随时间线性增加时，即(ji)t=1s,2s,3s时，Vgs=1V,2V,3V。

分析过程如下：

(1).当(dang)t=0s时(shi)，Vgs=0V,MOS管(guan)关(guan)闭，Id=0A,MOS管(guan)漏极电压(ya)Vd=10V;

(2).当t=1s时，Vgs=1V,由跨导方(fang)程可得Id=1A,则在1ohm电阻(zu)上(shang)的压(ya)降为1V，MOS管漏极电压(ya)Vd=10V-1V=9V；

(3).当(dang)t=2s时(shi),Vgs=2V, 由跨导方程(cheng)可得(de)Id=2A,则在(zai)1ohm电(dian)阻上的(de)压降为2V，MOS管漏极电(dian)压Vd=10V-2V=8V；

栅(zha)极电压随(sui)时间线性增加到10s时，Vgs=10V,Id=10A,MOS管完全导通即Vd=0V.

则(ze)MOS管从关(guan)闭到(dao)导(dao)通的(de)交叉(cha)时间tcross=10s,同时，漏极(ji)电(dian)流和漏极(ji)电(dian)压他们(men)是随(sui)时间一(yi)直在线性变化的(de)。

在转(zhuan)换(huan)过程中(zhong)(zhong)，MOS管的损(sun)耗(hao)，可(ke)通过计(ji)算t=1,2,3,4…秒时的瞬时交叉乘积(ji)Vds(t)*Id(t).如果将(jiang)这(zhei)些点连成线(xian)，可(ke)以得到(dao)以下(xia)所示的钟型曲(qu)线(xian)。因此，求(qiu)解交叉损(sun)耗(hao)就是(shi)计(ji)算该曲(qu)线(xian)下(xia)方(fang)的净面积(ji)。需要用(yong)到(dao)积(ji)分的方(fang)式去计(ji)算，通过求(qiu)解交叉乘积(ji)对时间(jian)的积(ji)分，则(ze)阻性负载(zai)开关管导通转(zhuan)换(huan)过程中(zhong)(zhong)损(sun)耗(hao)为：E=1/6*Vin*Idmax*tcross（J）。

那(nei)么(me)MOS管关断(duan)转(zhuan)换过程中(zhong)所(suo)产(chan)(chan)生的(de)损耗(hao)(hao)与导通转(zhuan)换过程中(zhong)产(chan)(chan)生的(de)损耗(hao)(hao)是一(yi)样的(de)，尽管关断(duan)转(zhuan)换中(zhong)电压是上升，电流(liu)下降。所(suo)以每个周期都有导通和关断(duan)的(de)转(zhuan)换过程。

当以fswHz的(de)频率(lv)重复(fu)开关管(guan)的(de)开关过(guo)程，则单位(wei)时间内以热形(xing)式(shi)损(sun)耗的(de)总(zong)损(sun)耗。等于：Psw=1/3*Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

（二）感性负载时的开关转换过程

当(dang)切换(huan)到感性(xing)(xing)负(fu)载时，需要考虑到电(dian)(dian)感的(de)特(te)性(xing)(xing)。当(dang)电(dian)(dian)流(liu)变(bian)化时，电(dian)(dian)压(ya)保持不(bu)变(bian)；而当(dang)电(dian)(dian)压(ya)变(bian)化时，电(dian)(dian)流(liu)保持不(bu)变(bian)。所(suo)以(yi)计(ji)算下图感性(xing)(xing)负(fu)载时的(de)交叉损耗(hao)可以(yi)有更简(jian)单(dan)的(de)办法(fa)。因为(wei)当(dang)一个参(can)数(shu)(V 或者(zhe)I)变(bian)化，另外一个参(can)数(shu)不(bu)变(bian)，则可用平均(jun)电(dian)(dian)流(liu)Idmax/2和平均(jun)电(dian)(dian)压(ya)Vin/2计(ji)算平均(jun)乘积。则可得(de)出(chu)导通转换(huan)时的(de)开关(guan)损耗(hao)为(wei)：

E=(Vin/2*Idmax*tcross/2)+(Vin*Idmax/2*tcross/2)=1/2*Vin*Idmax*tcross

所(suo)以(yi)(yi)，以(yi)(yi)fswHz的(de)频率重(zhong)复(fu)开关管的(de)开关过程（导(dao)通和关断行为）所(suo)产(chan)生的(de)总损耗为：

Psw= Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

二、导通损耗

开关(guan)管导通(tong)时，开关(guan)管压降在(zai)许多情(qing)况是(shi)远大(da)于零的(de)。导通(tong)时有(you)显著(zhu)的(de)V*I损(sun)(sun)(sun)耗(hao)，这种特殊的(de)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)就是(shi)导通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)Pcond.它与(yu)交(jiao)叉(cha)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)相当，甚至更大(da)。

与交叉(cha)损耗(hao)(hao)(hao)不同，导(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)与频(pin)率(lv)无(wu)关。它取(qu)决(jue)于占空比，而(er)不是频(pin)率(lv)。例如，假设(she)占空比为0.6，那么在(zai)1s的(de)测量时间间隔内(nei)，开关管处(chu)于导(dao)通状态的(de)净(jing)(jing)时间为0.6s。因此，在(zai)这(zhei)种情况下，导(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)等于a*0.6,a是任意(yi)的(de)比例常数(shu)。若(ruo)是把频(pin)率(lv)加倍，则(ze)1s内(nei)导(dao)通状态的(de)净(jing)(jing)时间认为0.6s，则(ze)导(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)仍然为a*0.6。但若(ruo)是把占空比由0.6变为0.4，则(ze)导(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)减(jian)少(shao)至a*0.4.所以，导(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)是取(qu)决(jue)于占空比，而(er)非频(pin)率(lv)。

所以，MOS管导通(tong)损耗的简(jian)单方程如下：Pcond=Irms^2*Rds (W)  Rds是MOS导通(tong)内(nei)阻。

所以，减少(shao)导(dao)通损耗最(zui)明显(xian)的(de)(de)方法(fa)是降低二极管和开关(guan)管的(de)(de)正向压降。要使用(yong)低正向压降的(de)(de)二极管，如肖特(te)基二极管。同理，要使用(yong)低导(dao)通阻(zu)抗Rds的(de)(de)MOS管。但(dan)必(bi)须(xu)折中考虑。减少(shao)MOS管的(de)(de)Rds时，其开关(guan)速度也会受到负面影响。

减少MOS管损耗的方法

减小开关(guan)损(sun)耗一(yi)方(fang)面要尽可能地制造出(chu)具(ju)有理想开关(guan)特性的(de)器件,另一(yi)方(fang)面利用(yong)新(xin)的(de)线(xian)路技术改变器件开关(guan)时期的(de)波(bo)形,如:晶(jing)体管缓冲电(dian)路,谐(xie)振(zhen)电(dian)路,和(he)软(ruan)开关(guan)技术等。

1)晶体管缓冲电路(即加吸收网络技术)

早期电源多(duo)采用此(ci)线路技术。采用此(ci)电路, 功率损(sun)耗(hao)虽有所减小,但(dan)仍不(bu)是很理(li)想。

①减少导通损(sun)耗在(zai)变压器次级(ji)线(xian)圈(quan)后面加饱和(he)电(dian)感(gan), 加反向(xiang)恢复时间快的(de)(de)(de)二极管,利用饱和(he)电(dian)感(gan)阻碍电(dian)流(liu)变化(hua)的(de)(de)(de)特性, 限制电(dian)流(liu)上升的(de)(de)(de)速率(lv),使(shi)电(dian)流(liu)与电(dian)压的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)尽(jin)可能小(xiao)地重叠。

②减少截止损(sun)耗加R 、C 吸收(shou)网(wang)络, 推迟变压(ya)器反激电(dian)(dian)(dian)压(ya)发生时间, 最好在电(dian)(dian)(dian)流为0时产生反激电(dian)(dian)(dian)压(ya),此时功率损(sun)耗为0。该电(dian)(dian)(dian)路(lu)利(li)用(yong)电(dian)(dian)(dian)容(rong)上电(dian)(dian)(dian)压(ya)不能突变的特性,推迟反激电(dian)(dian)(dian)压(ya)发生时间。

为(wei)(wei)了(le)增加(jia)可靠性,也(ye)可在功率管(guan)上加(jia)R 、C 。但(dan)是此(ci)电路有(you)明显缺点(dian):因为(wei)(wei)电阻的存在,导致(zhi)吸收网络有(you)损耗 。

(2)谐振电路

该电路只(zhi)改变开关(guan)瞬(shun)间电流波形,不改变导(dao)通时电流波形。只(zhi)要选择(ze)好合适(shi)的L 、C ,结(jie)合二极管结(jie)电容和变压(ya)器漏感, 就能保证(zheng)电压(ya)为0时,开关(guan)管导(dao)通或(huo)截止(zhi)。因此, 采(cai)用谐振技术可(ke)使开关(guan)损耗(hao)很小。所以, SWITCHTEC 电源(yuan)开关(guan)频(pin)率(lv)可(ke)以做到术结(jie)构(gou)380kHz的高频(pin)率(lv)。

(3)软开关技术

该电(dian)(dian)路(lu)是(shi)在(zai)(zai)全桥逆变(bian)电(dian)(dian)路(lu)中加入电(dian)(dian)容和二极(ji)管。二极(ji)管在(zai)(zai)开关管导通(tong)时起钳(qian)位(wei)作用, 并构(gou)成(cheng)泻放回(hui)路(lu), 泻放电(dian)(dian)流。电(dian)(dian)容在(zai)(zai)反激电(dian)(dian)压作用下, 电(dian)(dian)容被(bei)充电(dian)(dian), 电(dian)(dian)压不能突然增加, 当电(dian)(dian)压比较大的时侯, 电(dian)(dian)流已经为(wei)0。

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