開關損耗計算--反激篇
1、CCM 模式開關損耗
CCM 模式與 DCM 模式的開關損耗有所不同。先講解復雜 CCM 模式,DCM 模式很簡單了。
1.1 導通時的開關損耗
CCM 模式下,開關的導通時的電流與電壓波形如圖 1 所示。
根據數據給出的原理:當MOS 管接感性負載時,當電流變化時,電壓保持不變;當電壓變化時,電流保持不變。所以可以利用電流的平均值、電壓的平均值來計算MOS 管的導通時的開關損耗平均值,可得開關導通時的開關損耗為:
1.1.1 CCM 下反激式開關電源損耗公式
1. I4 電流的確定
先讓我們回顧一下 CCM 模式下輸入電感的電流波形,如圖 2 所示。
由圖 2 可知:I2 為MOS 管導通時的電流,I3 為MOS 管的最大電流。眾所周知,反激式開關電源導通的轉換時間是納秒級的,而導通時間是微秒級的,所以導通時的開關損耗公式中的I4=I2。
2. Vds 電壓的確定
反激電路框圖如圖 3 所示。
在確定 Vds 電壓之前,需要確定幾點原則:
(1)變壓器中有能量時,輸入繞組、輸出繞組至少有一個有電流流過或者兩個都有(電流是變壓器有能量的表現);
(2)輸出二極管導通是需要電壓的,也就是輸出繞組的電壓必須上升到Vo+Vf;
(3)電感電流不能突變。
由于電感電流不能突變,輸出繞組必須維持D1 導通的電壓來使電流迅速下降,然后才是輸出繞組電壓方向。所以導通轉換過程中Vds=Vin+Vor。CCM 模式下,反激電源中MOS管導通時的開關損耗公式為:
Vor 為初級繞組上的反射電壓。
再次申明:CCM 模式下的反激式電源,MOS 管導通時的開關損耗計算公式中電壓為(Vin+Vor),而電流為最小電流I2。
1.2 關斷時的開關損耗
關斷轉換過程中的電壓電流波形如圖 4 所示。
根據數據給出的原理:當MOS 管接感性負載時,當電流變化時,電壓保持不變;當電壓變化時,電流保持不變。所以可以利用電流的平均值、電壓的平均值來計算MOS 管的關斷時的開關損耗平均值,可得開關關斷時的開關損耗為:
與前面計算開關導通時的開關損耗非常相識,看確有本質的不同。
1. 電流
在正常的反激式開關電源設計中,開關電源導通的轉換時間是納秒級的,而導通時間是微秒級的,所以導通時的開關損耗公式中的Id=I3(電流I3 如圖 2 所示)。
2. 電壓Vds
先上一個反激式漏極尖峰電壓吸收電路,如圖 5 所示,其中的紅色部分。
在確定 Vds 電壓之前,需要確定幾點原則:
(1)變壓器中有能量時,輸入繞組、輸出繞組至少有一個有電流流過或者兩個都有(電流是變壓器有能量的表現);
(2)輸出二極管導通是需要電壓的,也就是輸出繞組的電壓必須上升到Vo+Vf;
(3)電感電流不能突變。
有上面的三原則可知,輸出繞組的電壓先上升至Vo,然后輸出整流管D1 導通,這個時候初級的電感電流急劇下降,輸出繞組電流相應上升。而初級漏感尖峰電壓上升速度比納秒級還小,所以可以得出:開關關斷過程損耗計算公式中電壓應該為輸入電壓、電容C 兩端電壓之和。
Vc 為電壓尖峰電路中電容的吸收電壓,其中不僅包含反射電壓,還有漏感導致的尖峰電壓。I3 是輸入電感上面的峰值電流。
2. DCM 模式的開關損耗
DCM 模式是幾乎沒有導通轉換的交越階段損耗,因為這個時候的輸入電流幾乎是為零的。但是還是有關斷交越階段的損耗,這個與前面的 CCM 模式下的一樣。
本文不作總結了,也不會把反激的開關損耗公式列出來。因為結果和公式并不是最重要的,關鍵在于理解和公式是怎么出來的。
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原文標題:MOS管的開關損耗分析計算推導
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