MOS管損耗的8個組成部分

開關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗指功率管從截止到導(dǎo)通時，所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導(dǎo)通到截止時，所產(chǎn)生的功率損耗。開關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關(guān)斷損耗（Turn-of Loss），常常在硬開關(guān)（Hard-Switching）和軟開關(guān)（Soft-Switching）中討論。所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關(guān)管在開通時，開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間內(nèi)，開關(guān)管的電流和電壓有一個交疊區(qū)，會產(chǎn)生損耗，這個損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關(guān)損耗另一個意思是指在開關(guān)電源中，對大的MOS管進行開關(guān)操作時，需要對寄生電容充放電，這樣也會引起損耗。

MOS管損耗的8個組成部分

在器件設(shè)計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算（所謂先期計算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計算值和預(yù)計波形，套用公式進行理論上的近似計算）。

MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：

1 導(dǎo)通損耗Pon

導(dǎo)通損耗，指在 MOSFET 完全開啟后負載電流（即漏源電流） IDS（on）（t）在導(dǎo)通電阻 RDS（on）上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導(dǎo)通損耗計算

先通過計算得到 IDS（on）（t）函數(shù)表達式并算出其有效值 IDS（on）rms，再通過如下電阻損耗計算式計算：

Pon=IDS（on）rms2× RDS（on）× K × Don

說明

計算 IDS（on）rms時使用的時期僅是導(dǎo)通時間 Ton ，而不是整個工作周期 Ts ； RDS（on） 會隨 IDS（on）（t）值和器件結(jié)點溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預(yù)計工作條件下的 RDS（on） 值（即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù) K ）。

2 截止損耗Poff

截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS（off） 應(yīng)力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS造成的損耗。

截止損耗計算

先通過計算得到 MOSFET 截止時所承受的漏源電壓 VDS（off） ，在查找器件規(guī)格書提供之 IDSS ，再通過如下公式計算：

Poff=VDS（off）× IDSS×（ 1-Don）

說明

IDSS 會依 VDS（off） 變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似 V（BR）DSS條件下的參數(shù)。如計算得到的漏源電壓 VDS（off）很大以至接近 V（BR）DSS則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項。

3 開啟過程損壞

開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS（off_on）（t）與逐漸上升的負載電流（即漏源電流） IDS（off_on）（t）交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計算

開啟過程 VDS（off_on）（t） 與 IDS（off_on）（t） 交叉波形如上圖所示。首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS（off_end）、開啟完成后的 IDS（on_beginning）即圖示之 Ip1，以及 VDS（off_on）（t） 與 IDS（off_on）（t） 重疊時間 Tx。然后再通過如下公式計算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（off_on）（t） × ID（off_on）（t） × dt

實際計算中主要有兩種假設(shè) — 圖 （A） 那種假設(shè)認為 VDS（off_on）（t）的開始下降與 ID（off_on）（t）的逐漸上升同時發(fā)生；圖 （B） 那種假設(shè)認為 VDS（off_on）（t）的下降是從 ID（off_on）（t）上升到最大值后才開始。圖 （C） 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實際測試到的波形，其更接近于 （A） 類假設(shè)。針對這兩種假設(shè)延伸出兩種計算公式：

（A） 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS（off_end） × Ip1× tr × fs

（B） 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS（off_end） × Ip1 × （td（on）+tr） × fs

（B） 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

圖 （C） 的實際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS（on_beginning）》》Ip1（電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁電流的 初始值）。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預(yù)計得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關(guān)。例如 FLYBACK 中 實際電流應(yīng) 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib （Ia 為次級端整流二極管的反向恢 復(fù)電流感應(yīng)回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關(guān)開通瞬間釋放的 電流 ） 。這個難以預(yù)計的數(shù)值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。

4 關(guān)斷過程損耗

關(guān)斷過程損耗。指在 MOSFET 關(guān)斷過程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS（on_off） （t）與逐漸 下降的漏源電流 IDS（on_off）（t）的交叉重 疊部分造成的損耗。

關(guān)斷過程損耗計算

如上圖所示，此部分損耗計算原理及方法跟 Poff_on類似。 首先須計算或預(yù)計得到關(guān)斷完成后之漏源電壓 VDS（off_beginning）、關(guān)斷時刻前的負載電流 IDS（on_end）即圖示之 Ip2 以及 VDS（on_off） （t）與 IDS（on_off）（t）重疊時間 Tx 。然后再通過 如下公式計算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（on_off）（t） × IDS（on_off）（t） × dt

實際計算中，針對這兩種假設(shè)延伸出兩個計算公式：

（A） 類假設(shè) Poff_on=1/6 × VDS（off_beginning） × Ip2 × tf × fs

（B） 類假設(shè) Poff_on=1/2 × VDS（off_beginning） × Ip2 × （td（off）+tf） × fs

（B） 類假設(shè)可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

IDS（on_end） =Ip2，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關(guān)斷完成后之 VDS（off_beginning）往往都有一個很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗估算。

5 驅(qū)動損壞Pgs

驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進行驅(qū)動造成之損耗

驅(qū)動損耗的計算

確定驅(qū)動電源電壓 Vgs后，可通過如下公式進行計算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

說明

Qg 為總驅(qū)動電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。

6 Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損壞，指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導(dǎo)同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計算

首先須計算或預(yù)計得到開啟時刻前之 VDS，再通過如下公式進行計算：

Pds=1/2 × VDS（off_end）2× Coss × fs

說明

Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。

7 體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計算

在一些利用體內(nèi)寄生二極管進行載流的應(yīng)用中（例如同步整流），需要對此部分之損耗進行計算。公式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中： IF 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時間。

說明

會因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之數(shù)值。

8 體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗Pd_recover

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復(fù)造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)損耗計算

這一損耗原理及計算方法與普通二極管的反向恢復(fù)損耗一樣。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 為二極管反向壓降， Qrr 為二極管反向恢復(fù)電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。