開關電源中的損耗（一）

tt_engineer 2022-03-25 11:23 982 閱讀 6 贊 15 收藏 0 評論

開關電源的損耗主要出現在功率回路上流過較大電流的開關管、二極管（非同步）、電感（變壓器）等元器件，本文以開關電源主要元器件之一MOSFET為例分析開關管MOSFET的損耗產生機理及計算方法。

一 MOSFET 損耗產生機理

MOSFET開關管工作過程中的損耗主要包括驅動損耗、開關損耗和導通損耗，其中驅動損耗很小可以忽略，圖1為MOSFET工作過程

圖1 ,MOSFET 工作波形 (藍色：門極電壓波形（Vgs）;紫色：門極電流波形（Igon）；綠色：漏極電壓波形（Vdd）;紅色：漏極-源極電流波形（Id）)

（1）0~t0：從0時刻開始，Vgs開始上升，Vdd和Id保持不變，在這個過程中驅動電流ig為門極電容Cgs充電，門極電壓Vgs開始上升。一直到t0時刻，Vgs上升到MOSFET開通閾值電壓Vg(th)，MOSFET開始導通，在t0時刻以前，MOS處于截止區。

（2）t0~t1: 從t0時刻開始，MOS開始導通，此時，流過MOSFET漏極-源極電流Id開始上升。這個時間段內的驅動電流Ig仍然是為Cgs充電。到t1時刻，電流Id上升到導通最大電流。在電流Id上升的過程中，由于回路雜散電感的存在導致漏極電壓Vdd稍微下降，這是因為下降的di/dt在雜散電感上產生反向電壓。從t1時刻開始，MOS進入了飽和區。

（3）t1~t2:在電流Id上升到最大時刻（t1），MOSFET的驅動電流ig為Cgd充電（也可以說是Cgd開始放電），從t1時刻開始Vdd開始下降，由于門極電流給Cgd充電，所以Vgs維持不變，此階段被稱為米勒平臺，電壓值為米勒平臺電壓（Vplateau），米勒平臺中t1~t1-2時間內，由于超級結在開始時時縱向擴散，Cgd電容較小，Vdd一開始下降較快，而隨著t1-2時刻由縱向擴散轉為橫向擴散，Cgd電容較大，Vdd下降斜率變緩。

（4）t2~t3: t2時刻米勒平臺結束，驅動電流開始繼續為Cgs和Cgd充電。而Vgs也開始恢復繼續上升，此時Vdd的大小會由Rds(on)*Id決定。

關斷過程為開通過程的逆過程，這里不再贅述，通過上面的分析可以看到，在NOSFET開通和關斷過程中都存在電壓和電流的同時變化，因此可以開通和關斷過程存在功率損耗，同時由于MOSFET導通內阻的存在，因此也存在導通損耗。

二、MOSFET損耗計算

通過前面的分析可知，MOSFET損耗主要包括開關損耗和導通損耗，導通損耗的準確計算比較簡單，根據功率計算公式即可得到，但是要得到準確的開關損耗相，實際測試中可以對開關過程中的波形積分得到，但理論計算相對比較困難。簡化的計算方法可以通過將電壓和電流的上升和下降等效為線性變化，取其乘積除以2再與開關頻率相乘即可。當然不同的芯片廠商有不同的計算方法，圖2為Renesas推薦的計算方法，圖3為Infineon體檢的計算那方法，可供參考。