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MOS管开关管损耗计算方法公式及解释-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-09-14 

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人们对MOS管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。


一、 MOS管开关管损耗计算

MOS管是开关电源中常见器件之一,在评估开关电源效率的时候,对于MOS管的选型十分重要,如果选择的MOS不合适,电路该部分的发热会非常严重,影响效率。因此,在考虑到设计开关电源的效率时,MOS管的损耗是不容忽视的一部分。下面将详细计算MOS管的损耗。


二、MOS管的损耗来源

(1)MOS开关损耗

MOS在开关电源中用作开关器件,顾名思义,MOS会经常的开通和关断。MOS管开关管损耗计算由于电压和电流都是模拟量,这个世界也是模拟的世界,电压和电流都不能突变,将MOS管比如成一个“水龙头”就很好理解MOS管的第一部分损耗:开关损耗


当我们在打开水龙头或者关闭水龙头的时候,并不是等到我们完全打开龙头的阀门,水才出来,也不是等到我们完全关断水龙头,才没有水流出。在我们操作的过程中,其实都有水在流出或者是慢慢停止。对于MOS也是这样,流过MOS管的电流就像是水流,加在MOS管VDS间的电压就像是水龙头的阀门。


因此,MOS管开关损耗产生的本质原因是由于MOS开通和关断并不是瞬间完成,电压和电流存在重叠区。开通过程如图所示:


MOS管开关管损耗计算


开通过程如上图所示,从电流Id从0开始上升到VDS减小为0为止,为MOS管的开通过程,如上图的1点到2点所示。


(2)MOS导通损耗

理想的电压源我们不计其内阻,理想的运算放大器我们不计流入运放的电流,同样,理想的开关,我们将其等效为电阻为0的导线。但是在实际使用过程中,MOS开通后,是存在一定阻值的,这个阻值会随着VGS电压的变化而变化,当MOS完全开通时,电阻才基本等效为一定固定的电阻。


因此,MOS管损耗的第二部分就是导通损耗 ,产生导通损耗的本质原因是实际使用的MOS管不能等效为电阻为0的器件,导通时的内阻是会造成MOS管发热的原因之一。


导通损耗的计算主要是导通时的电流,内阻。


(3)MOS管驱动损耗

从图1可以看出,在1点之前,也就是电流从0上开始上升的前,这一部分MOS还没开通,既不存在开关损耗,也不存在导通损耗,但是由于这部分时间,驱动芯片在对MOS的栅极充电,这也是损耗的一种形式,并归为MOS的损耗,即驱动损耗。


因此,MOS的驱动损耗,和驱动芯片的驱动功率有关,和MOS管的选型有关(Qg)。

三、MOS管开关管损耗计算实例

(1)基于BUCK电源计算

假设现在有一降压电源,参数如下:

输入:Uin=12V

输出:Uout=1.8V

开关频率:f=500K

负载电流:Io=20A

纹波系数:r=0.4

选择的MOS管为凌特的BSC050N03,参数如下

MOS管开关管损耗计算
MOS管开关管损耗计算
MOS管开关管损耗计算

下面计算该开关电源的MOS损耗。

一、MOS管损耗

(1)导通损耗

MOS管导通损耗的计算公式为:P=I^2R= Rdson* Iqsw* IqswD= 20x20x61.8/12=0.36W


(2)开关损耗

开关损耗的计算公式:Psw=1/2* Vin*Iout *Fsx(Qgs2+Qgd)/Ig。

如果只计算开通损耗有:Psw=0.512(20-4)500k * (6n/5)=0.576W

如果只计算关断损耗有:Psw=0.512*(20+4)*500k * (6n/1)=0.432W

Ig由选择的驱动芯片决定,LTC3883,驱动电压Vgs=5V


(3)驱动损耗

Pgate=VgQgfs=513n500k=0.0325W

开关管的总损耗:P=0.36+0.576+0.432+0.0325=1.4W