当前位置：首页 > news >正文

LLC--开关损耗及软开关

news 2025/9/17 8:22:33

一、开关管损耗来源

1.导通损耗

MOS管在导通时，会产生一个沟道，比如N沟道MOS管在导通时产生的沟道是由N型载流子去形成的沟道，该沟道会有一个 $R_{DS(on)}$ （DS之间会有一个导通电阻）， $P=I^{2}R_{DS(on)}$ ，I就是流过管子的电流，P就是导通损耗。

2.开关损耗

MOS管在开通和关断时都会有损耗，P=U×I。

3.反向恢复损耗

MOS管有一个寄生二极管（体二极管），该体二极管是由MOS管内部的PN结形成的，因为PN结都会有一个空间电荷区，在正向导通和反向截止的来回切换中，会对这个空间电荷区进行充放电，从而产生损耗。

二、开关损耗详情（BUCK电路为例）

1.开通损耗

上管MOS管开通的过程中（模拟电路不会存在电压跳变的过程），电压从0到高一定是一个缓慢的过程。MOS导通前 $I_{DS}$ 一定是0；当 $V_{GS}> V_{th}$ （MOS管导通电压）时MOS管导通， $V_{DS}$ 开始逐渐下降， $I_{DS}$ 逐渐上升,这个时间记为 $t_{on}$ ,这个时候会产生开通损耗；MOS管关断的时候，MOS管两端是有电压的（应力）；导通之后，MOS管两端是没有电压的。即MOS关断时应力= $V_{DS}$ ，导通时电流是 $I_{DS}$ 。

由公式P=U×I推导出

$I_{(t)}=\frac{I_{DS}}{t_{on}}\times t$

$U_{(t)}=-\frac{V_{DS}}{t_{on}}\times (t_{on}-t)$

$P_{on}=\int_{0}^{t_{on}}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt$

2.关断损耗

当MOS管关断的时候，驱动从高电平到低电平，在高电平的时候有电流流过，低电平的时候没有电流流过。当驱动为高电平时，MOS管没有 $V_{DS}$ ，也没有应力；当驱动为低电平时，有 $V_{DS}$ 也有应力。当MOS管关断过程中（ $V_{GS}$ 往 $V_{th}$ 下降的过程），应力逐渐上升，电流逐渐下降。

由公式P=U×I推导出

$I_{(t)}=\frac{I_{DS}}{t_{off}}(t_{off}-t)$

$U_{(t)}=\frac{V_{DS}}{t_{off}}\times t$

$P_{off}=\int_{0}^{t_{off}}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt$

三、ZCS与ZVS

1.软开关:开关损耗等于0，即 $P=\int_{0}^{t}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt=0$ ，首先t不可能=0，驱动上升速度可以加快，但上升的时间是不可能变为零的，因为有一个寄生电容，MOS管导通相当于给寄生电容充电。

2.零电压导通（ZVS）：让 $V_{(DS)}$ 为0，应该开通之前就让电压先跌到0，然后再开通，这时电流上升的过程与电压下降的过程没有交点，在 $t_{on}$ 的过程中 $U_{(t)}$ =0, $P_{(on)}$ =0。从而实现软开关。

3.零电流关断（ZCS）：让 $I_{(DS)}$ 为0，应该关断之前就让电流先到0，然后再关断，这时电流下降的过程与电压上升的过程没有交点，在 $t_{off}$ 的过程中 $I_{(t)}$ =0, $P_{off}$ =0。从而实现软开关。

四、BUCK电路中软开关的应用

1.BUCK的基本原理

左图为上管发波，电感储能的过程；右图上管关断，不管下管发不发波，电感的电流都会通过下管的体二极管续流。

2.上管关断的详细过程

在电感储能过程中，A点电压是VIN；上管关断，通过Q2的体二极管进行续流，假设地为零，二极管压降为0.7V，则稳定状态时A、B、C点都是-0.7V。因为上管电流也是逐渐减到0的，在下管开始续流的时候上管也是有电流的，则 $I_{L}=I_{top}+I_{c}+I_{d}$ ,电感电流在储能续流的过程中不改变，会从C3抽取能量，Vc会一直减小到-0.7≈0，也就是下管的应力也减小到0，Ic也减小到0，上管电流也逐渐减到0，故最终状态 $I_{L}=I_{d}$ ，且没有开通损耗，实现软开关。

3.BUCK电路中下管的电压电流波形

当上管驱动电压从 $V_{GS}$ 到 $V_{th}$ 时，下管二极管开始续流，下管的 $I_{DS}$ 开始逐渐上升；下管电流上升过程中，下管应力逐渐减小；当下管应力小到0时 $I_{L}=I_{d}$ ，下管电流趋于稳定；在下管电流趋于稳定后，下管发波导通。因为应力为零， $P=\int_{0}^{t}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt$ 中 $U_{(t)}$ 为0，则P等于0，实现零电压导通。