開關(guān)電源MOS管有哪些損耗，如何減少M(fèi)OS管損耗

一、什么是開關(guān)電源

開關(guān)模式電源（SwitchModePowerSupply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

二、開關(guān)損耗

開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。

1、導(dǎo)通損耗指功率管從截止到導(dǎo)通時,所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導(dǎo)通到截止時,所產(chǎn)生的功率損耗。

2、開關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-onLoss）和關(guān)斷損耗(Turn-ofLoss)，常常在硬開關(guān)（Hard-Switching）和軟開關(guān)（Soft-Switching）中討論。

所謂開通損耗（Turn-onLoss），是指非理想的開關(guān)管在開通時，開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個上升時間。在這段時間內(nèi)，開關(guān)管的電流和電壓有一個交疊區(qū)，會產(chǎn)生損耗，這個損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關(guān)損耗另一個意思是指在開關(guān)電源中，對大的MOS管進(jìn)行開關(guān)操作時，需要對寄生電容充放電，這樣也會引起損耗。

三、MOS管損耗的8個組成部分

在器件設(shè)計(jì)選擇過程中需要對MOSFET的工作過程損耗進(jìn)行先期計(jì)算（所謂先期計(jì)算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計(jì)算值和預(yù)計(jì)波形，套用公式進(jìn)行理論上的近似計(jì)算）。

1、導(dǎo)通損耗Pon

導(dǎo)通損耗,指在MOSFET完全開啟后負(fù)載電流（即漏源電流）IDS(on)(t)在導(dǎo)通電阻RDS(on)上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導(dǎo)通損耗計(jì)算：

先通過計(jì)算得到IDS(on)(t)函數(shù)表達(dá)式并算出其有效值IDS(on)rms，再通過如下電阻損耗計(jì)算式計(jì)算：Pon=IDS(on)rms2×RDS(on)×K×Don

說明：計(jì)算IDS(on)rms時使用的時期僅是導(dǎo)通時間Ton，而不是整個工作周期Ts；RDS(on)會隨IDS(on)(t)值和器件結(jié)點(diǎn)溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計(jì)工作條件下的RDS(on)值（即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù)K）。

2、截止損耗Poff

截止損耗，指在MOSFET完全截止后在漏源電壓VDS(off)應(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流IDSS造成的損耗。

截止損耗計(jì)算：

先通過計(jì)算得到MOSFET截止時所承受的漏源電壓VDS(off)，在查找器件規(guī)格書提供之IDSS，再通過如下公式計(jì)算：Poff=VDS(off)×IDSS×（1-Don）

說明：IDSS會依VDS(off)變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似V(BR)DSS條件下的參數(shù)。如計(jì)算得到的漏源電壓VDS(off)很大以至接近V(BR)DSS則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項(xiàng)。

3、開啟過程損耗

開啟過程損耗，指在MOSFET開啟過程中逐漸下降的漏源電壓VDS(off_on)(t)與逐漸上升的負(fù)載電流（即漏源電流）IDS(off_on)(t)交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計(jì)算：

開啟過程VDS(off_on)(t)與IDS(off_on)(t)交叉波形如上圖所示。首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到開啟時刻前之VDS(off_end)、開啟完成后的IDS(on_beginning)即圖示之Ip1，以及VDS(off_on)(t)與IDS(off_on)(t)重疊時間Tx。然后再通過如下公式計(jì)算：Poff_on=fs×∫TxVDS(off_on)(t)×ID(off_on)(t)×dt

實(shí)際計(jì)算中主要有兩種假設(shè)—圖(A)那種假設(shè)認(rèn)為VDS(off_on)(t)的開始下降與ID(off_on)(t)的逐漸上升同時發(fā)生；圖(B)那種假設(shè)認(rèn)為VDS(off_on)(t)的下降是從ID(off_on)(t)上升到最大值后才開始。圖(C)是FLYBACK架構(gòu)路中一MOSFET實(shí)際測試到的波形，其更接近于(A)類假設(shè)。針對這兩種假設(shè)延伸出兩種計(jì)算公式：

(A)類假設(shè)Poff_on=1/6×VDS(off_end)×Ip1×tr×fs

(B)類假設(shè)Poff_on=1/2×VDS(off_end)×Ip1×(td(on)+tr)×fs

(B)類假設(shè)可作為最惡劣模式的計(jì)算值。

說明：圖(C)的實(shí)際測試到波形可以看到開啟完成后的IDS(on_beginning)>>Ip1（電源使用中Ip1參數(shù)往往是激磁電流的初始值）。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計(jì)得到，其跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。例如FLYBACK中實(shí)際電流應(yīng)是Itotal=Idp1+Ia+Ib(Ia為次級端整流二極管的反向恢復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值--即乘以匝比，Ib為變壓器初級側(cè)繞組層間寄生電容在MOSFET開關(guān)開通瞬間釋放的電流)。這個難以預(yù)計(jì)的數(shù)值也是造成此部分計(jì)算誤差的主要原因之一。

4、關(guān)斷過程損耗

關(guān)斷過程損耗。指在MOSFET關(guān)斷過程中逐漸上升的漏源電壓VDS(on_off)(t)與逐漸下降的漏源電流IDS(on_off)(t)的交叉重疊部分造成的損耗。

關(guān)斷過程損耗計(jì)算：

如上圖所示，此部分損耗計(jì)算原理及方法跟Poff_on類似。首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到關(guān)斷完成后之漏源電壓VDS(off_beginning)、關(guān)斷時刻前的負(fù)載電流IDS(on_end)即圖示之Ip2以及VDS(on_off)(t)與IDS(on_off)(t)重疊時間Tx。然后再通過如下公式計(jì)算：

Poff_on=fs×∫TxVDS(on_off)(t)×IDS(on_off)(t)×dt

實(shí)際計(jì)算中，針對這兩種假設(shè)延伸出兩個計(jì)算公式：

(A)類假設(shè)Poff_on=1/6×VDS(off_beginning)×Ip2×tf×fs

(B)類假設(shè)Poff_on=1/2×VDS(off_beginning)×Ip2×(td(off)+tf)×fs

(B)類假設(shè)可作為最惡劣模式的計(jì)算值。

說明：

IDS(on_end)=Ip2，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流的末端值。因漏感等因素，MOSFET在關(guān)斷完成后之VDS(off_beginning)往往都有一個很大的電壓尖峰Vspike疊加其上，此值可大致按經(jīng)驗(yàn)估算。

5、驅(qū)動損耗Pgs

驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進(jìn)行驅(qū)動造成之損耗。驅(qū)動損耗的計(jì)算

，確定驅(qū)動電源電壓Vgs后，可通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：Pgs=Vgs×Qg×fs

說明：Qg為總驅(qū)動電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。

6、Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損耗,指MOS輸出電容Coss截止期間儲蓄的電場能于導(dǎo)同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計(jì)算：首先須計(jì)算或預(yù)計(jì)得到開啟時刻前之VDS，再通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Pds=1/2×VDS(off_end)2×Coss×fs

說明：Coss為MOSFET輸出電容，一般可等于Cds，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。

7、體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計(jì)算

在一些利用體內(nèi)寄生二極管進(jìn)行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對此部分之損耗進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

Pd_f=IF×VDF×tx×fs

其中：IF為二極管承載的電流量，VDF為二極管正向?qū)▔航?，tx為一周期內(nèi)二極管承載電流的時間。

說明：會因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之?dāng)?shù)值。

8、體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計(jì)算

這一損耗原理及計(jì)算方法與普通二極管的反向恢復(fù)損耗一樣。公式如下：

Pd_recover=VDR×Qrr×fs

其中：VDR為二極管反向壓降，Qrr為二極管反向恢復(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。

四、減少M(fèi)OS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(diǎn):因?yàn)殡娮璧拇嬖?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,SWITCHTEC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。