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mosfet的驱动设计-开关损耗

news 来源：原创 2025/6/21 15:07:24

1.开关时的DS损耗

2.导通损耗

3.截止损耗

4．驱动损耗

mos管的损耗主要有开关损耗和导通损耗两部分，开关损耗包括mos管开通是消耗的能量和在mos在线性区产生的损耗。导通损耗是由mos的导通电阻电阻 ${R_{DS(on)}}$ 消耗的能量。

mos的实际模型

我们先来感性的认识一下开关损耗。

由于mos寄生电容的存在，mos管的开通需要一定的时间，这段时间即为给寄生电容充电的时间。在充电的过程中因为米勒电容的存在，在t2-t4时间段VGS会保持不变，这段区域称为米勒平台。t0-t5为整个充电过程，电容充电必然会消耗能量。

Mos管开通时，VGS的电压上升需要时间，在这段时间内mos的会经历一个由关闭->线性区->饱和区的变化过程。当VGS的电压达到Vth时，mos进入线性区。此时，mos处于半导通状态，可以认为漏源极之间存在一个比较大的电阻RDS，在VDS的作用下，电阻RDS会产生能量消耗导致温度升高。Mos管关闭时同理。

1.开关时的DS损耗

功率的计算公式是P=UI。

如下图所示，开通阶段的VDS和ID是时间t的函数，我们无法直接计算，可以利用示波器抓取开关时刻的VDS电压和ID电流波形，通过math计算出瞬时功率曲线P(t)。对P(t)进行积分则得到开通时消耗的能量

$E\left( t \right) = \int_{t0}^{t1} {Vd{\rm{s}}(t)*Id(t)dt}$

开关频率越高，单位时间内开关的次数也就越多，损耗也就增加。假设开关频率为f，f即为每秒的开关次数。在开关频率为f时每秒的总开通损耗的能量 ${E_{on}}$ 。

${E_{on}} = E(t)*f = \int_{t0}^{t1} {Vd{\rm{s}}(t)*Id(t)dt} *{\rm{f}}$

因为是在单位时间消耗的能量，所以在这里能量和功率在数值上是相等的

${{\mathop{\rm P}\nolimits} _{on}} = {E_{on}}$

同理可得关闭时的开关损耗

${E_{off}} = {{\mathop{\rm P}\nolimits} _{off}} = E(t)*f = \int_{t2}^{t2} {Vd{\rm{s}}(t)*Id(t)dt} *{\rm{f}}$

总的消耗功率为 ${\mathop{\rm P}\nolimits} = {{\mathop{\rm P}\nolimits} _{on}} + {{\mathop{\rm P}\nolimits} _{off}}$

在设计电路的初期，我们没办法获取真实的电压电流波形，可以通过下面的公式对开关损耗进行估算。

$P = \frac{1}{2}{V_{DS}}*{I_d}*({t_r} + {t_f})*f$

该公式的含义是：在工程计算中，我们通常假设 MOSFET 在开关期间电压和电流是线性变化的，则开通和关断能量可以近似计算为

${E_{{\rm{on}}}} = \frac{1}{2}{V_{{\rm{ds}}}}{I_d}{t_r}$

${E_{{\rm{off}}}} = \frac{1}{2}{V_{{\rm{ds}}}}{I_{\rm{d}}}{t_{{\rm{off}}}}$

$P = ({E_{{\rm{on}}}} + {E_{{\rm{off}}}})*f$

注：开通和关断时间会在数据手册中给出，值得注意的是还有一个开通、关断延时时间。

实际计算中主要有两种假设

图 (A) 那种假设认为 VDS的开始下降与 ID的逐渐上升同时发生；

图 (B) 那种假设认为 VDS的下降是从 ID上升到最大值后才开始。

B类假设可作为最恶劣模式的计算值，我们上面讲的就是B类假设

2.导通损耗

导通损耗是在mos完全开通时的有RDS(on)消耗的能量，在mos导通后漏极电流ID乘以导通电阻RDS(on)

$P = {I_D}*{R_{{\rm{ds}}(on)}}*duty*T$

$duty$ 为占空比，T为PWM的周期， $duty*T$ 即为导通的时间

3.截止损耗

在mos截止时，由于体二极管的存在，还是会有很小的电流从D极流向S极。这个电流称为漏电流IDSS

截止时的功率为

$P = {V_{DS}}*{I_{DSS}}*(1 - duty)*T$

4.驱动损耗

栅极脉冲电压VG通过栅极电阻R1施加在MOSFET的栅极和源极之间。假设VGS从0V升至VG。VG足以让MOSFET导通。MOSFET初始状态是关断的，当VGS从0V变为VG时导通。在该瞬态开关周期期间流动的栅极电流计算为

${{\rm{I}}_{\rm{G}}} = \left( {{V_G} - {V_{GS}}} \right)/{R_1}$

VGS的表达式为

${V_{GS}} = {V_G} - {R_1}{\rm{*}}{{\rm{I}}_{\rm{G}}}$

栅极电荷Qg可以通过对对电流积分得出

${{\rm{Q}}_g} = \int_0^t {{I_G}dt}$

栅极驱动器提供的能量为:

$E = \int_0^t {{V_G}*{I_G}dt}$

Mos在开通期间获得的能量为

${E_G} = \int_0^t {{V_{GS}}*{I_G}dt} = \int_0^t {{V_{GS}} \times (\frac{{d{{\rm{Q}}_{\rm{g}}}}}{{dt}})dt} = \int_0^t {{V_{GS}} \times d{{\rm{Q}}_{\rm{g}}}}$