理论教育 开关管损耗原因分析及优化

开关管损耗原因分析及优化

时间:2023-06-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:在反激式LED驱动电路中,主开关管的损耗是最重要的部分,主要包括导通损耗、截止损耗、开通损耗、关断损耗、驱动损耗和输出损耗六部分。

开关管损耗原因分析及优化

在反激式LED驱动电路中,主开关管的损耗是最重要的部分,主要包括导通损耗、截止损耗、开通损耗、关断损耗、驱动损耗和输出损耗六部分。

1.导通损耗

开关管的导通损耗Pon是指在MOSFET完全开启后,漏源电流IDS(on)t)在MOSFET导通电阻RDS(on)上产生的压降所造成的损耗。在电路拓扑结构一定的情况下,要计算MOSFET的导通损耗首先要得到IDS(on)t)函数表达式并计算出其电流有效值IDS(on)rms,再通过如下电阻损耗公式计算导通损耗,即

Pon=I2DSon)rmsRDS(on)k (10-1)

式中,k为导通电阻的温度系数。

RDS(on)会随导通电流IDS(on)t)的值和器件结点温度不同而有所不同,在计算时可以通过MOSFET的规格书查找尽量靠近预计工作条件下温度系数k的值。

2.截止损耗

开关管的截止损耗Poff是指在MOSFET完全截止后,在漏源电压UDS(off)应力下所产生的漏源电流IDSS造成的损耗。先计算出MOSFET截止时所承受的漏源电压UDSoff),再查找MOSFET器件规格书提供的漏源电流IDSS,通过下式即可得到MOSFET的截止损耗Poff

Poff=UDS(off)IDSS(1-Don) (10-2)

式中,Don占空比

一般情况下,IDSS会随UDSoff)变化,规格书中提供的漏源电流IDSS的值是在漏源击穿电压U(BR)DSS条件下的参数。在计算时,如果得到的漏源电压UDSoff)很大并且接近漏源击穿电压U(BR)DSS,则漏源电流IDSS的值可以直接使用此值,如果计算得到的漏源电压很小,这项损耗可以忽略。

3.开通损耗

对于反激式电源,MOSFET的开关过程可以分为两部分:MOSFET的开启过程和MOSFET的关断过程。相应的MOSFET的开关损耗Psw也由这两部分组成开通损耗Poff-on和关断损耗Pon-off

开通损耗Poff-on是指MOSFET开启过程中逐渐下降的漏源电压UDS(off-on)t)与逐渐上升的漏源电流IDS(off-on)t)交叉重叠部分造成的损耗,如图10-2所示。

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图10-2 开通过程的漏源电压、电流重叠波形

要计算MOSFET开通损耗Poff-on,需计算或预计开启时刻前的漏源电压UDS(off-on)ton)、开启完成后的漏源电流IDS(off-on)t)(即漏源极的峰值电流Ip),以及UDS(off-on)t)与IDS(off-on)t)的重叠时间tr。在MOSFET的规格书中,重叠时间tr为开通时间,是指漏源电压从90%下降到10%的时间,该时间可以在MOSFET的规格书中找到。得到以上参数后即可求得开通损耗Poff-on为(www.daowen.com)

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式中,fs为电源的工作频率。

4.关断损耗

关断损耗Pon-off是指在MOSFET关断过程中逐渐上升的漏源电压UDS(on-off)t)与逐渐下降的漏源电流IDSDK(on-off)t)的交叉重叠部分造成的损耗,其重叠波形类似图10-2中重叠波形。

此部分损耗的计算方法与开启过程损耗相似。首先要得到关断完成之后的漏源电压UDS(on-off)toff)、关断时刻前的漏源电流Ip以及UDS(on-off)t)与IDSDK(on-off)t)重叠交叉时间tf。在MOSFET的规格书中,时间tf为关断时间,是指漏源电压从10%上升到90%的时间,该时间可以在MOSFET的规格书中找到。通过以上参数就可以求得MOSFET的关断损耗Pon-off

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5.驱动损耗

MOSFET是电压型驱动器件,驱动的过程就是栅极电压建立的过程,通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现。驱动损耗Pgs是指MOSFET栅极接受驱动电压进行驱动所产生的损耗。该部分损耗在确定驱动电压Ugs后,计算公式为

Pgs=UgsQgfs (10-5)式中,Qg为总驱动电量;Ugs为驱动电压;fs为电源的工作频率。

6.输出损耗

输出损耗是指MOSFET的输出电容Coss截止期间储蓄的电能,导通期间在漏源极上释放时的损耗。MOSFET的感生电容被大多数制造厂商分成输入电容、输出电容以及反向传输电容,上述三个电容值均可在MOSFET的规格书中找到。MOSFET的输出损耗Pds计算公式为

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式中,UDS(off-on)ton)为MOSFET开启时刻前的漏源电压;Coss为输出电容;fs为电源的工作频率。

综上所述,可以得到MOSFET上的总损耗Pmosfet

Pmosfet=Pon+Poff+Poff-on+Pon-off+Pgs+Pds(10-7)

通过上面的计算可以知道,在输出电压电流以及电源占空比一定的情况下,开关频率fs越大,则MOSFET造成的损耗越大。

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