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1、1,MOSFET在感性负载下的 开关损耗公式 张兴柱 博士 2015年6月,2,一：分析MOSFET开关过程的原理图,3,1：电流负载下的等效电路,下面的分析中假定：- 电感电流在开关过程中保持不变；- MOSFET要考虑其寄生参数；- 二极管分两种情况（无反向恢复和有反向恢复）。,4,2：分析用MOSFET的简化等效电路,为了简化分析，先对 进行分析然后再从它的分析结果，来对比分析获得 时的结果,5,二：MOSFET的开关过程原理及分析,（二极管无反向恢复）,6,- 在t0前，MOSFET工作于截止状态，t0时，MOSFET被驱动开通；,开通过程的轨迹图,开通过程的波形图,t0-t1区间：图
2、中红色Phase1这点轨迹。 MOSFET的GS电压经Vcc对Cgs充电而上 升，在t1时刻，到达 维持电压Vgs(th)，MOSFET开始导电。,t0-t1区间的等效电路,1：MOSFET的开通过程原理,推导见下页,7,t0-t1区间：,方程,初始值,解,t1时刻,该间隔是MOSFET的延迟开通间隔。,8,开通过程的轨迹图,开通过程的波形图,t1-t2区间：图中黄色Phase2这段轨迹。,t1-t2区间的等效电路,另外：,当DS电流增加到 ，该间隔结束，二极管关断。此时：,MOSFET的DS电流因Vgs的增加而增加，如下式：,从上式，可将DS看作是一个受控电流源。,推导见下页,9,t1-t2
3、区间：,其中：,所以：,方程,初始值,解,t2时刻,该间隔中DS电压保持不变，MOSFET的DS电流则可近似看成线性上升，间隔结束时刚好上升到外部电流。,10,开通过程的轨迹图,开通过程的波形图,t2-t3区间的等效电路,t2-t3区间：图中蓝色Phase3这段轨迹。 至t2时刻，MOSFET的DS电流已上升到外部电流并 保持不变，导致GS电压保持不变。 由于GS电压不变， 驱动电流变成恒定并对GD电容进行充电，导致DS电容 上的电压线性减小，直到到达饱和区的边界；,推导见下页,11,t2-t3区间：,MOSFET在t2时刻其DS电流已为IL1，此后GS电压保持不变，门极电流对Cgd充电，直到
4、其进入饱和区的边界。,方程,初始值,解,t3时刻,（ ）,（ ）,（ ）,该间隔中DS电流保持不变，MOSFET的DS电压则可近似看成线性下降，间隔结束时下降到有 对应的饱和电压。另外这个间隔中的二极管因电压反偏而截止。,12,开通过程的轨迹图,开通过程的波形图,- t3-t4区间：图中绿色Phase4这段轨迹。,MOSFET在t3 时刻已进入饱和区边界，GS电压不再维持不变，Vcc继续对Cgs充电，GS电压继续上升，使MOSFET的通态电阻减小，从而DS电压也继续减小，直到t4时刻，GS电压上升到Vcc为止。由于这个间隔内，MOSFET的通态压降虽有减小，但变化不大，所以可不计为开通损耗，而
5、将其看作通态损耗。,该间隔中的DS电压随着 的继续增加，还会略略减小，间隔中虽然有损耗，但非常小。该间隔的时间也可以计算，但由于其损耗已不按开通损耗来算，所以就不需要这个数据了。,13,开通损耗：,如电流、电压波形均用用线性近似，则有：,其中：,14,2：MOSFET的关断过程原理,- 在t5前，MOSFET工作于导通状态，t5时，MOSFET被驱动关断；,关断过程的轨迹图,关断过程的波形图,t5-t6区间：图中绿色Phase1这段轨迹。 MOSFET的Cgs电压经驱动电路电阻放电而下降，使饱和区电 阻微微上升，DS电压梢稍增加，但DS电流不变，直到t6时刻 到达饱和区边界；,t5-t6区间的
6、等效电路,因这个间隔内MOSFET DS电压很小，其损耗仍然可以计算到MOSFET的通态损耗之内，故这个间隔的时间不用计算。,15,- t6-t7区间：图中蓝色Phase2这段轨迹。 在t6时刻，MOSFET进入放大区，因DS电流不变，导致 GS电容电压不变，反向驱动电流变成恒定，并对GD电 容放电，使DS电压继续增加。,关断过程的轨迹图,另外：,推导见下页,16,t6-t7区间：,MOSFET在t6时刻进入放大区，此后GS电压保持不变，门极电流对Cgd放电，直到MOSFET DS电压上升到Voff，二极管D导通为止。,（ ）,（ ）,方程,初始值,解,t7时刻,（ ）,该间隔中DS电流保持不
7、变，MOSFET的DS电压则可近似看成线性上升，间隔结束时上升到有 电压，使二极管因电压正偏而导通。,17,- t7-t8区间：图中黄色Phase3这段轨迹。 至t7时刻，MOSFET的DS电压升至Vds(peak2)，使二极管D 导通，DS电流下降，GS电压也开始继续下降，直到下降到 维持电压Vgsth（t8时刻）为止，此时MOSFET DS的电流 已降为零 。,推导见下页,18,t7-t8区间：,二极管在t7时刻进D导通开始，MOSFET电流开始下降，在时刻t8，MOSFET的GS电压下降到Vgs(th)时，其电流完全转移到二极管而关断。,方程,初始值,解,t8时刻,该间隔中DS电压保持不
8、变，MOSFET的DS电流则可近似看成线性下降，间隔结束时下降到零。,19,t8-t9区间：图中红色Phase4这点轨迹。 至t8时刻，MOSFET已完全关断；该区间内GS电容继续放电直 到t9时刻，其电压为 零为止。,该间隔是MOSFET的关断延迟，无损耗产生。虽然时间间隔也可以计算出来，但不需要这个数据。,20,关断损耗：,如电流、电压波形均用用线性近似，则有：,其中：,21,三：MOSFET的开关过程原理及分析,（二极管无反向恢复）,22,1：开关过程的典型波形区别,对开通过程波形的影响： t2-t3区间内由于DS电压下降，Cds会有一个放电电流，如DS电压用线性下降来近似，则Cds的放
9、电电流可看成为一个常数，因此MOSFET DS中的电流在该区间内变为下式：,对关断过程波形的影响： t6-t7区间内由于DS电压上升，Cds会有一个充电电流，如DS电压用线性上升来近似，则Cds的充电电流可看成为一个常数，因此MOSFET DS中的电流在该区间内变为下式：,23,2：开通过程的轨迹图区别,24,3：关断过程的轨迹图区别,25,4：开通损耗的区别,其中：,见下页推导：,26,开通损耗：,如电流、电压波形均用用线性近似，则有：,该式的推导见下2页：,27,t2-t3区间：,MOSFET在t2时刻其DS电流已为 ，此后GS电压保持不变，门极电流对Cgd充电，直到其进入饱和区。,28,
10、续前页：,29,5：关断损耗的区别,其中：,见下页推导：,30,关断损耗：,如电流、电压波形均用用线性近似，则有：,该式的推导见下2页：,31,t6-t7区间：,MOSFET在t6时刻进入放大区，此后GS电压保持不变，门极电流对Cgd放电，直到MOSFET DS电压上升到Voff，二极管D导通为止。,32,续前页：,33,四：MOSFET的开关损耗变化,（二极管有反向恢复）,34,CCM模式且选用快恢复或超快恢复二极管时，才会有二极管的反向恢复问题。它只影响MOSFET的开通过程波形，不影响MOSFET的关断过程波形。对开通过程波形的影响，可以用下面的图来近似。,其中二极管的反向恢复参数见下页
11、说明：,此时的开通损耗公式为：,35,二极管手册中，会给出一个图，用来查其某一关断电流下的反向恢复时间，如右边：但因实际工作中的di/dt不是图中的di/dt，所以该图的数据也只能作一参考。,从手册的数据曲线，可知工作结温越高，反向恢复时间越长。因此MOSFET上的开通损耗也就越大。,二极管的反向恢复电流如下：,36,五：MOSFET的开关损耗总结,37,1：CCM工作点的损耗计算公式(二极管无反向恢复时)：,其中：,在二极管有反向恢复时，只要将开通损耗改成，关断损耗公式不变：,38,2：DCM工作点的损耗计算公式(此时的二极管没有反向恢复问题)：,这是因为在DCM下，有：,另外在DCM下的 比在CCM下的要小，所以DCM下的开通损耗比CCM下的要小许多。,39,3：ZVS工作点的损耗计算公式：,这是因为在ZVS下，有：,40,CCM工作点的损耗在非ZVS与ZVS下的损耗比较(二极管无反向恢复时) ：,非ZVS,ZVS,总开关损耗：,开关损耗减少：,这可是一个非常大的量！,
