开关电源中的损耗(一)

     开关电源的损耗主要出现在功率回路上流过较大电流的开关管、二极管(非同步)、电感(变压器)等元器件,本文以开关电源主要元器件之一MOSFET为例分析开关管MOSFET的损耗产生机理及计算方法。

一 MOSFET 损耗产生机理

    MOSFET开关管工作过程中的损耗主要包括驱动损耗、开关损耗和导通损耗,其中驱动损耗很小可以忽略,图1为MOSFET工作过程

图1 ,MOSFET 工作波形  (蓝色:门极电压波形(Vgs);紫色:门极电流波形(Igon);绿色:漏极电压波形(Vdd);红色:漏极-源极电流波形(Id))

    (1)0~t0:从0时刻开始,Vgs开始上升,Vdd和Id保持不变,在这个过程中驱动电流ig为门极电容Cgs充电,门极电压Vgs开始上升。一直到t0时刻,Vgs上升到MOSFET开通阈值电压Vg(th),MOSFET开始导通,在t0时刻以前,MOS处于截止区。

    (2)t0~t1: 从t0时刻开始,MOS开始导通,此时,流过MOSFET漏极-源极电流Id开始上升。这个时间段内的驱动电流Ig仍然是为Cgs充电。到t1时刻,电流Id上升到导通最大电流。在电流Id上升的过程中,由于回路杂散电感的存在导致漏极电压Vdd稍微下降,这是因为下降的di/dt在杂散电感上产生反向电压。从t1时刻开始,MOS进入了饱和区。

    (3)t1~t2:在电流Id上升到最大时刻(t1),MOSFET的驱动电流ig为Cgd充电(也可以说是Cgd开始放电),从t1时刻开始Vdd开始下降,由于门极电流给Cgd充电,所以Vgs维持不变,此阶段被称为米勒平台,电压值为米勒平台电压(Vplateau),米勒平台中t1~t1-2时间内,由于超级结在开始时时纵向扩散,Cgd电容较小,Vdd一开始下降较快,而随着t1-2时刻由纵向扩散转为横向扩散,Cgd电容较大,Vdd下降斜率变缓。

    (4)t2~t3: t2时刻米勒平台结束,驱动电流开始继续为Cgs和Cgd充电。而Vgs也开始恢复继续上升,此时Vdd的大小会由Rds(on)*Id决定。

      关断过程为开通过程的逆过程,这里不再赘述,通过上面的分析可以看到,在NOSFET开通和关断过程中都存在电压和电流的同时变化,因此可以开通和关断过程存在功率损耗,同时由于MOSFET导通内阻的存在,因此也存在导通损耗。

二、MOSFET损耗计算

      通过前面的分析可知,MOSFET损耗主要包括开关损耗和导通损耗,导通损耗的准确计算比较简单,根据功率计算公式即可得到,但是要得到准确的开关损耗相,实际测试中可以对开关过程中的波形积分得到,但理论计算相对比较困难。简化的计算方法可以通过将电压和电流的上升和下降等效为线性变化,取其乘积除以2再与开关频率相乘即可。当然不同的芯片厂商有不同的计算方法,图2为Renesas推荐的计算方法,图3为Infineon体检的计算那方法,可供参考。

图2 Renesas Mosfet损耗计算方法

图3 Infineon Mosfet损耗计算方法

     结束语:MOSFET是开关电源中常用器件之一,MOSFET的损耗计算在评估开关电源效率非常重要,如果选择的MOSFET不合适,发热会非常严重,影响效率。

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