MOS管知識-MOS管開關損耗及導通損耗分析

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(tài)的次數(shù)就越多，開關損耗也就越大。這次就來弄清楚在每次開關轉(zhuǎn)換過程中所發(fā)生事件的基本時序。

一、開關損耗

(一)阻性負載時的開關轉(zhuǎn)換過程：

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(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程中損耗為：E=1/6*Vin*Idmax*tcross（J）。

那么MOS管關斷轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗與導通轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗是一樣的，盡管關斷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)以熱形式損耗的總損耗。等于：Psw=1/3*Vin*Idmax*tcross*fsw (W)

（二）感性負載時的開關轉(zhuǎn)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(shù)(V 或者I)變化，另外一個參數(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)生的總損耗為：

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

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(nèi)，開關管處于導通狀態(tài)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(shù)。若是把頻率加倍，則1s內(nèi)導通狀態(tài)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?yōu)?.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(nèi)阻。

所以，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(wǎng)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(wǎng)絡, 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:因為電阻的存在,導致吸收網(wǎng)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(jié)合二極管結(jié)電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時,開關管導通或截止。因此, 采用諧振技術可使開關損耗很小。所以, SWITCHTEC 電源開關頻率可以做到術結(jié)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(jīng)為0。

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