MOS管知识-MOS管开关损耗及导通损耗分析

人们对开关电源的要求越来越高，要求开关电源的体积越来越小，这也意味着开关频率越来越高。随着开关频率的提高，降低变换器的开关损耗也变得极其重要。开关频率越高，每秒钟开关管改变状态的次数就越多，开关损耗也就越大。这次就来弄清楚在每次开关转换过程中所发生事件的基本时序。

一、开关损耗

(一)阻性负载时的开关转换过程：

图中作为理想的N沟道MOS讨论：其特性如下：

1、当Vgs=0时MOS管完全关断；当Vgs高于参考地时，开始导通。

2、漏极电流与栅极电压之比定义为MOS的跨导g，以欧姆（ohm）为单位，即是欧姆的反写。

3、图中假定MOS的跨导g为常数，等于1;

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

分析过程如下：

(1).当t=0s时，Vgs=0V,MOS管关闭，Id=0A,MOS管漏极电压Vd=10V;

(2).当t=1s时，Vgs=1V,由跨导方程可得Id=1A,则在1ohm电阻上的压降为1V，MOS管漏极电压Vd=10V-1V=9V；

(3).当t=2s时,Vgs=2V, 由跨导方程可得Id=2A,则在1ohm电阻上的压降为2V，MOS管漏极电压Vd=10V-2V=8V；

栅极电压随时间线性增加到10s时，Vgs=10V,Id=10A,MOS管完全导通即Vd=0V.

则MOS管从关闭到导通的交叉时间tcross=10s,同时，漏极电流和漏极电压他们是随时间一直在线性变化的。

在转换过程中，MOS管的损耗，可通过计算t=1,2,3,4…秒时的瞬时交叉乘积Vds(t)*Id(t).如果将这些点连成线，可以得到以下所示的钟型曲线。因此，求解交叉损耗就是计算该曲线下方的净面积。需要用到积分的方式去计算，通过求解交叉乘积对时间的积分，则阻性负载开关管导通转换过程中损耗为：E=1/6*Vin*Idmax*tcross（J）。

那么MOS管关断转换过程中所产生的损耗与导通转换过程中产生的损耗是一样的，尽管关断转换中电压是上升，电流下降。所以每个周期都有导通和关断的转换过程。

当以fswHz的频率重复开关管的开关过程，则单位时间内以热形式损耗的总损耗。等于：Psw=1/3*Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

（二）感性负载时的开关转换过程

当切换到感性负载时，需要考虑到电感的特性。当电流变化时，电压保持不变；而当电压变化时，电流保持不变。所以计算下图感性负载时的交叉损耗可以有更简单的办法。因为当一个参数(V 或者I)变化，另外一个参数不变，则可用平均电流Idmax/2和平均电压Vin/2计算平均乘积。则可得出导通转换时的开关损耗为：

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

所以，以fswHz的频率重复开关管的开关过程（导通和关断行为）所产生的总损耗为：

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

二、导通损耗

开关管导通时，开关管压降在许多情况是远大于零的。导通时有显著的V*I损耗，这种特殊的损耗就是导通损耗Pcond.它与交叉损耗相当，甚至更大。

与交叉损耗不同，导通损耗与频率无关。它取决于占空比，而不是频率。例如，假设占空比为0.6，那么在1s的测量时间间隔内，开关管处于导通状态的净时间为0.6s。因此，在这种情况下，导通损耗等于a*0.6,a是任意的比例常数。若是把频率加倍，则1s内导通状态的净时间认为0.6s，则导通损耗仍然为a*0.6。但若是把占空比由0.6变为0.4，则导通损耗减少至a*0.4.所以，导通损耗是取决于占空比，而非频率。

所以，MOS管导通损耗的简单方程如下：Pcond=Irms^2*Rds (W)  Rds是MOS导通内阻。

所以，减少导通损耗最明显的方法是降低二极管和开关管的正向压降。要使用低正向压降的二极管，如肖特基二极管。同理，要使用低导通阻抗Rds的MOS管。但必须折中考虑。减少MOS管的Rds时，其开关速度也会受到负面影响。

减少MOS管损耗的方法

减小开关损耗一方面要尽可能地制造出具有理想开关特性的器件,另一方面利用新的线路技术改变器件开关时期的波形,如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关技术等。

1)晶体管缓冲电路(即加吸收网络技术)

早期电源多采用此线路技术。采用此电路, 功率损耗虽有所减小,但仍不是很理想。

①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感, 加反向恢复时间快的二极管,利用饱和电感阻碍电流变化的特性, 限制电流上升的速率,使电流与电压的波形尽可能小地重叠。

②减少截止损耗加R 、C 吸收网络, 推迟变压器反激电压发生时间, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率损耗为0。该电路利用电容上电压不能突变的特性,推迟反激电压发生时间。

为了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此电路有明显缺点:因为电阻的存在,导致吸收网络有损耗 。

(2)谐振电路

该电路只改变开关瞬间电流波形,不改变导通时电流波形。只要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和变压器漏感, 就能保证电压为0时,开关管导通或截止。因此, 采用谐振技术可使开关损耗很小。所以, SWITCHTEC 电源开关频率可以做到术结构380kHz的高频率。

(3)软开关技术

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。

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