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MOS管開關管損耗計算方法公式及解釋-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-09-14 

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人們對MOS管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。


一、 MOS管開關管損耗計算

MOS管是開關電源中常見器件之一,在評估開關電源效率的時候,對于MOS管的選型十分重要,如果選擇的MOS不合適,電路該部分的發熱會非常嚴重,影響效率。因此,在考慮到設計開關電源的效率時,MOS管的損耗是不容忽視的一部分。下面將詳細計算MOS管的損耗。


二、MOS管的損耗來源

(1)MOS開關損耗

MOS在開關電源中用作開關器件,顧名思義,MOS會經常的開通和關斷。MOS管開關管損耗計算由于電壓和電流都是模擬量,這個世界也是模擬的世界,電壓和電流都不能突變,將MOS管比如成一個“水龍頭”就很好理解MOS管的第一部分損耗:開關損耗


當我們在打開水龍頭或者關閉水龍頭的時候,并不是等到我們完全打開龍頭的閥門,水才出來,也不是等到我們完全關斷水龍頭,才沒有水流出。在我們操作的過程中,其實都有水在流出或者是慢慢停止。對于MOS也是這樣,流過MOS管的電流就像是水流,加在MOS管VDS間的電壓就像是水龍頭的閥門。


因此,MOS管開關損耗產生的本質原因是由于MOS開通和關斷并不是瞬間完成,電壓和電流存在重疊區。開通過程如圖所示:


MOS管開關管損耗計算


開通過程如上圖所示,從電流Id從0開始上升到VDS減小為0為止,為MOS管的開通過程,如上圖的1點到2點所示。


(2)MOS導通損耗

理想的電壓源我們不計其內阻,理想的運算放大器我們不計流入運放的電流,同樣,理想的開關,我們將其等效為電阻為0的導線。但是在實際使用過程中,MOS開通后,是存在一定阻值的,這個阻值會隨著VGS電壓的變化而變化,當MOS完全開通時,電阻才基本等效為一定固定的電阻。


因此,MOS管損耗的第二部分就是導通損耗 ,產生導通損耗的本質原因是實際使用的MOS管不能等效為電阻為0的器件,導通時的內阻是會造成MOS管發熱的原因之一。


導通損耗的計算主要是導通時的電流,內阻。


(3)MOS管驅動損耗

從圖1可以看出,在1點之前,也就是電流從0上開始上升的前,這一部分MOS還沒開通,既不存在開關損耗,也不存在導通損耗,但是由于這部分時間,驅動芯片在對MOS的柵極充電,這也是損耗的一種形式,并歸為MOS的損耗,即驅動損耗。


因此,MOS的驅動損耗,和驅動芯片的驅動功率有關,和MOS管的選型有關(Qg)。

三、MOS管開關管損耗計算實例

(1)基于BUCK電源計算

假設現在有一降壓電源,參數如下:

輸入:Uin=12V

輸出:Uout=1.8V

開關頻率:f=500K

負載電流:Io=20A

紋波系數:r=0.4

選擇的MOS管為凌特的BSC050N03,參數如下

MOS管開關管損耗計算
MOS管開關管損耗計算
MOS管開關管損耗計算

下面計算該開關電源的MOS損耗。

一、MOS管損耗

(1)導通損耗

MOS管導通損耗的計算公式為:P=I^2R= Rdson* Iqsw* IqswD= 20x20x61.8/12=0.36W


(2)開關損耗

開關損耗的計算公式:Psw=1/2* Vin*Iout *Fsx(Qgs2+Qgd)/Ig。

如果只計算開通損耗有:Psw=0.512(20-4)500k * (6n/5)=0.576W

如果只計算關斷損耗有:Psw=0.512*(20+4)*500k * (6n/1)=0.432W

Ig由選擇的驅動芯片決定,LTC3883,驅動電壓Vgs=5V


(3)驅動損耗

Pgate=VgQgfs=513n500k=0.0325W

開關管的總損耗:P=0.36+0.576+0.432+0.0325=1.4W


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