反激CCM模式的开通损耗和关断损耗详解

电源设计工程师在选用 Power MOSFET 设计电源时，大多直接以 Power MOSFET 的最大耐压、最大导通电流能力及导通电阻等三项参数做出初步决定。但实际上，MOSFET/IGBT 的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节，开关损耗测试对于器件评估非常关键，但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上。电源工程师们都知道开关MOS在整个电源系统里面的损耗占比是不小的，开关mos的的损耗我们谈及最多的就是开通损耗和关断损耗，今天以反激CCM模式的开通损耗和关断损耗来把公式推导一番，希望能够给各位有所启发。

01开关损耗的诱因

开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗指功率管从截止到导通时,所产生的功率损耗。截止损耗指功率管从导通到截止时,所产生的功率损耗。开关损耗（Switching-Loss）包括开通损耗（Turn-on Loss）和关断损耗(Turn-of Loss)，常常在硬开关（Hard-Switching）和软开关（Soft-Switching）中讨论。

所谓开通损耗（Turn-on Loss），是指非理想的开关管在开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗即为开通损耗。以此类比，可以得出关断损耗产生的原因，这里不再赘述。开关损耗另一个意思是指在开关电源中，对大的MOS管进行开关操作时，需要对寄生电容充放电，这样也会引起损耗。

02最恶劣情况分析

下图为电流与电压在开关时交叠的过程，这个图中描述的是其实是最恶劣的情况，开通时等mos管电流上升到I1之后mos管电压才开始下降，关断时等mos管电压上升到Vds后mos管电流才开始下降。

03MOS管开关过程

MOS管开过程：

阶段一：电压不变电流上升（电压为Vds不变，电流由0上升到Ip1）mos开通瞬间，电流从零快速开始上升到Ip1，此过程MOS的DS电压不变为Vds；

阶段二：电流不变电压下降（电流为Ip1不变，电压由Vds下降到0）电流上升到Ip1后，此时电流的上升斜率（Ip1-Ip2段）相对0-Ip1这一瞬间是非常缓慢的，我们可以近似把上升到Ip1之后继续上升的斜率认为是0，把电流基本认为是Ip1不变，此时MOS管的DS电压开始快速下降到0V。

MOS管关闭过程：

阶段一：电流不变电压上升（电流为Ip2不变，电压由0上升到Vds）电压从0快速开始上升到最高电压Vds，与开通同理此过程MOS的电流基本不变为Ip2；

阶段二：电压不变电流下降（点压为Vds不变，电流由Ip2下降到0）电压此时为Vds不变，电流迅速从Ip2以很大的下降斜率降到0。

下面直接给出最恶劣的情况的开通关断损耗的计算公式：

至于关断和开通的交越时间t下面会给出估算过程，请看下图：

开通时：电流0-Ip1上升的过程与电压Vds-0下降的过程同时发生。

关段时：电压0-Vds的上升过程与电流从Ip2-0的下降过程同时发生。

04开通时的损耗推导

我们先把开通交越时间定位t1，我们大致看上去用平均法来计算好像直接可以看出来，Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs，实际上这是不对的，这个过程实际上准确的计算是，在时间t内每一个瞬时的都对应一个功率，然后把这段时间内所有的瞬时功率累加然后再除以开关周期T或者乘以开关频率fs。好了思想有了就只剩下数学问题了，我们一起来看下。

对于此式，Vds、Ip1在计算变压器时已经计算出来，fs是开关频率是已知的，所以只要求出t1就能估算出开通损耗。下面我来说一下t1的估算方法，思路是根据MOS管datasheet给出的栅极总电荷量来计算时间t1，用公式Qg=i*t来计算。

我们来看看上图是驱动的过程，Vth为MOS管的开通阈值，Vsp为MOS管的米勒平台，实际上MOS管从开始导通到饱和导通的过程是从驱动电压a点到b点这个区间。其中栅极总电荷Gg是可以在mos管的datasheet中可以查询到的。

然后就是要求这段时间的驱动电流，我们看下图，这个电流结合你的实际驱动电路来取值的。

根据你的驱动电阻R1的值和米勒平台电压可以把电流i计算出来。米勒平台电压Vsp也可以在MOS管的datasheet中可以查到。

然后再根据你的实际驱动电压（实际上就是近似等于芯片Vcc供电电压），实物电压做出来之前，在理论估算阶段可以自己先预设定一个，比如预设15V。我们计算时把Vth到Vsp这一段把它近似看成都等于Vsp，然后就很好计算出i了。

i=(Vcc-Vsp)/R1

此刻驱动电流i已经求出，接下来计算平台时间（a点到b点）t1。

Qg=i*t1

t1=Qg/i

接下来我们总结一下开关MOS开通时的损耗计算公式

i=(Vcc-Vsp)/R1 计算平台处驱动电流

t1=Qg/i 计算平台的持续时间（也就是mos开通时，电压电流的交越时间）

Pon=1/6*Vds*Ip1*t1*fs

05关断时的损耗推导

MOS管开过程：

对于关断时的损耗计算跟开通时的损耗就算推导方式没什么区别，这里给出一个简单的结果。

i=(Vsp)/R2 计算平台处驱动电流

t1=Qg/i 计算平台的持续时间（也就是mos关断时，电压电流的交越时间）

Ptoff=1/6*Vds*Ip1*t1*fs

上文是针对反激CCM，对于DCM的计算方法是一样的，不过DCM下Ip1为0，开通损耗是可以忽略不计的，关断损耗计算方法一样。

举个例子

基于BUCK电源计算

假设现在有一降压电源，参数如下：

输入：Uin=12V

输出：Uout=1.8V

开关频率：f=500K

负载电流：Io=20A

纹波系数：r=0.4

选择的MOS管为凌特的BSC050N03，参数如下

计算：

MOS管损耗

（1）导通损耗

MOS管导通损耗的计算公式为：P=I^2R= Rdson* Iqsw* IqswD= 20x20x61.8/12=0.36W

（2）开关损耗

开关损耗的计算公式：Psw=1/2* Vin*Iout *Fsx(Qgs2+Qgd)/Ig。

如果只计算开通损耗有：Psw=0.512（20-4）500k * （6n/5）=0.576W

如果只计算关断损耗有：Psw=0.512*（20+4）*500k * （6n/1）=0.432W

Ig由选择的驱动芯片决定，LTC3883，驱动电压Vgs=5V

（3）驱动损耗

Pgate=VgQgfs=513n500k=0.0325W

开关管的总损耗：P=0.36+0.576+0.432+0.0325=1.4W

06用示波器怎么测试MOS功率损耗

一般来说，开关管工作的功率损耗原理图如下图所示，主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”，小部分能量体现在“导通状态”，而关闭状态的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。

实际的测量波形图一般如下图所示。

07MOSFET 和 PFC MOSFET 的测试区别

对于普通 MOS 管来说，不同周期的电压和电流波形几乎完全相同，因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于 PFC MOS 管来说，不同周期的电压和电流波形都不相同，因此功率损耗的准确评估依赖较长时间（一般大于 10ms），较高采样率（推荐 1G 采样率）的波形捕获，此时需要的存储深度推荐在 10M 以上，并且要求所有原始数据（不能抽样）都要参与功率损耗计算，实测截图如下图所示。

审核编辑：汤梓红