MOS管的开关损耗分析计算推导

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开关损耗计算--反激篇

1. CCM 模式开关损耗
CCM 模式与 DCM 模式的开关损耗有所不同。先讲解复杂 CCM 模式，DCM 模式很简单了。
1.1 导通时的开关损耗
CCM 模式下，开关的导通时的电流与电压波形如图 1 所示。


根据数据给出的原理：当MOS 管接感性负载时，当电流变化时，电压保持不变；当电压变化时，电流保持不变。所以可以利用电流的平均值、电压的平均值来计算MOS 管的导通时的开关损耗平均值，可得开关导通时的开关损耗为：

使用积分计算方法的如下：


1.1.1 CCM 下反激式开关电源损耗公式
1. I4 电流的确定
先让我们回顾一下 CCM 模式下输入电感的电流波形，如图 2 所示。


由图 2 可知：I2 为MOS 管导通时的电流，I3 为MOS 管的最大电流。众所周知，反激式开关电源导通的转换时间是纳秒级的，而导通时间是微秒级的，所以导通时的开关损耗公式中的I4=I2。

2. Vds 电压的确定
反激电路框图如图 3 所示。


在确定 Vds 电压之前，需要确定几点原则：
（1）变压器中有能量时，输入绕组、输出绕组至少有一个有电流流过或者两个都有（电流是变压器有能量的表现）；
（2）输出二极管导通是需要电压的，也就是输出绕组的电压必须上升到Vo+Vf；
（3）电感电流不能突变。
由于电感电流不能突变，输出绕组必须维持D1 导通的电压来使电流迅速下降，然后才是输出绕组电压方向。所以导通转换过程中Vds=Vin+Vor。CCM 模式下，反激电源中MOS管导通时的开关损耗公式为：


Vor 为初级绕组上的反射电压。
再次申明：CCM 模式下的反激式电源，MOS 管导通时的开关损耗计算公式中电压为（Vin+Vor），而电流为最小电流I2。

1.2 关断时的开关损耗
关断转换过程中的电压电流波形如图 4 所示。


根据数据给出的原理：当MOS 管接感性负载时，当电流变化时，电压保持不变；当电压变化时，电流保持不变。所以可以利用电流的平均值、电压的平均值来计算MOS 管的关断时的开关损耗平均值，可得开关关断时的开关损耗为：


与前面计算开关导通时的开关损耗非常相识，看确有本质的不同。
1. 电流
在正常的反激式开关电源设计中，开关电源导通的转换时间是纳秒级的，而导通时间是微秒级的，所以导通时的开关损耗公式中的Id=I3（电流I3 如图 2 所示）。
2. 电压Vds
先上一个反激式漏极尖峰电压吸收电路，如图 5 所示，其中的红色部分。


在确定 Vds 电压之前，需要确定几点原则：
（1）变压器中有能量时，输入绕组、输出绕组至少有一个有电流流过或者两个都有（电流是变压器有能量的表现）；
（2）输出二极管导通是需要电压的，也就是输出绕组的电压必须上升到Vo+Vf；
（3）电感电流不能突变。
有上面的三原则可知，输出绕组的电压先上升至Vo，然后输出整流管D1 导通，这个时候初级的电感电流急剧下降，输出绕组电流相应上升。而初级漏感尖峰电压上升速度比纳秒级还小，所以可以得出：开关关断过程损耗计算公式中电压应该为输入电压、电容C 两端电压之和。



Vc 为电压尖峰电路中电容的吸收电压，其中不仅包含反射电压，还有漏感导致的尖峰电压。I3 是输入电感上面的峰值电流。


2. DCM 模式的开关损耗
DCM 模式是几乎没有导通转换的交越阶段损耗，因为这个时候的输入电流几乎是为零的。但是还是有关断交越阶段的损耗，这个与前面的 CCM 模式下的一样。
本文不作总结了，也不会把反激的开关损耗公式列出来。因为结果和公式并不是最重要的，关键在于理解和公式是怎么出来的。