开关消耗的简介

开关消耗包含导通消耗和停止消耗。导通消耗指功率管从停止到导通时,所产生的功率消耗。停止消耗指功率管从导通到停止时,所产生的功率消耗。开关消耗（Switching-Loss）包含守旧消耗（Turn-on Loss）和关断消耗(Turn-of Loss)，经常在硬开关（Hard-Switching）和软开关（Soft-Switching）中会商。所谓守旧消耗（Turn-on Loss），是指非抱负的开关管在守旧时，开关管的电压不是当即降落到零，而是有一个降落时候，同时它的电流也不是当即回升到负载电流，也有一个回升时候。在这段时候内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生消耗，这个消耗即为守旧消耗。以此类比，能够或许得出关断消耗产生的缘由，这里不再赘述。开关消耗另外一个意义是指在开关电源中，对大的MOS管停止开关操纵时，须要对寄生电容充放电，如许也会引发消耗。

MOS管在开关操纵进程中的题目

公司收集、数据及无线基站产物各单板都接纳经由进程简略的转变RC充电回路中R和C值，产生一个渐变的电压节制一个在必然电压下导通的开关MOS管，来导通输入直流-48V电压进而削减热插拔进程的浪涌电流。可是由于对MOS管自身外部布局、开关进程和消耗领会不周全，形成了多量MOS管生效的案例。笔者经由进程对公司各产物直流-48V缓启动电路MOS管生效环境阐发和统计发明，MOS管的生效在公司各产物奇迹部都有产生，生效题目数目比拟多，但生效缘由却比拟单一，都是由于短时过功率销毁。生效案例中同时也提出了改良对策，须要咱们改良今朝-48 V DC缓启动电路的驱动设想削减MOS管开关进程的消耗，防止MOS管生效题目的再次产生。

MOS管的开关消耗

1、 栅极电荷QG

在MOS管中，栅极电荷决议于栅极氧化层的厚度及其它与裸片布线有关的物理参数，它能够或许表现为驱动电流值与守旧时候之积或栅极电容值与栅极电压之积。此刻大局部MOS管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。如图所示，是栅极电压和栅极电荷之间的干系，从中能够或许看到栅极电荷的非线性特征。这条曲线的斜率可用来估量栅极电容Cgs的数值。曲线的第一段是线性的，QGS是使栅极电压从0升到门限值所需电荷，此时漏极电流呈现，漏极电压起头降落;此段栅极电容Cgs便是Cgs。曲线的第二段是程度的，栅极到漏极电荷QGD是漏极电压降落时降服“Miller”效应所需电荷，以是栅极到漏极电荷QGD也称为“Miller”电荷。此时栅极电压稳定、栅极电荷储蓄积累而漏极电压急聚降落。这一段的栅极电容是Cgs加上Cgd的影响(凡是称为Miller效应)。经由进程察看栅极电压UGS和栅极电荷QG之间的干系能够或许看出，寄生的栅极电荷QG值固然很小，可是在MOS管导经由进程程中可分为较着的3个阶段;同时，由于受栅极到漏极电荷QGD即“Miller”电荷的影响使栅极电荷产生了非线性特征，也影响了栅极电压UGS的线性降落。

2、MOS管的极间电容

MOS管其外部极间电容首要有Cgs、Cgd和Cds。并且Cgs>>Cds>>Cgd。此中Cgs为栅源电容、Cgd为栅泄电容，它们是由Mos布局的绝缘层组成的;Cds为漏源电容，由PN布局成。MOS管极间电容等效电路如图2所示。MOS管管的极间电容栅泄电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds能够或许由以下公式肯定：

Cgd=Crss

Cgs=Ciss-Crss

Cds=Coss-Crss

公式中Ciss、Coss、和Crss别离是MOS管的输入电容、输入电容和反应电容。它们的数值能够或许在MOS管的手册上查到。

经由进程察看MOS管极间电容和寄生栅极电荷QG，能够或许看到，MOS管极间电容是由其导电沟道布局及工艺决议，固有的。由于存在反应电容及栅极到漏极电荷QGD，QGD的大局部用来减小UDS从关断电压到UGS(th)产生的“Miller”效应，此时Vds还没有到达Vsat。对曲线程度段所对应的电容Cgs充电所破费的时候越长，Vgs坚持在一个恒定电压上的时候也就越长，MOS管到达饱和状况所需的时候也就越长。这类环境响应的MOS管的能量消耗也越大，产生的热量越多、效力越低。

3 、MOS管的导经由进程程

MOS管极间电容是影响开关时候的首要身分。由于受极问电容的影响，MOS管的导经由进程程可分为以下几个阶段，如图所示：

1)t0～t1时代：驱动电压从零回升，经rG对图3 MOSFET等效布局中G端输入电容Ciss充电，电压按虚线回升(开路脉冲)，Ciss越小，则电压回升的越快;

2)t1～t2时代：t1刹时，MOS管的栅源电压到达开启电压UGS(th)，漏极电流起头回升;由于漏源等效的输入电容Coss会对MOS管容性放电，漏极电流ID回升，漏源电压降落;同时受反应电容Crss的影响G驱动电压Vgs的回升速度出格陡峭，(低于开路脉冲);

3)t2～t3时代：t2刹时，漏极电流ID已到达稳态幅值，但Coss的电压尚大，电流还会上冲;

4)t3～t4时代：t3刹时，Coss在漏山顶颠峰值电流放电下，漏极电压敏捷降落，受反应电容Crss的影响G驱动电压略有回落，坚持漏极电流所需的驱动电压值，坚持均衡;

5)t4以后：t4刹时，Coss的电荷放完，漏源电压类似为零，并坚持稳定;反应消逝。Vgs降落到开路脉冲，进入稳态导通期。

由此MOS管开经由进程程可看，漏极电流在QG波形的QGD阶段呈现，由于受极间电容的影响，VDS电压落空了线性的进程，以是一方面在漏极电流呈现的进程，该段漏极电压仍然很高，漏极电流回升的速度是漏极电压降落速度的几倍，这就形成了MOS管功率消耗的增添。另外一方面开关导通时，由于受受 “Miller”电荷的影响，电容Cgs充电需破费较永劫候，Vgs永劫候回升速度出格陡峭，(低于开路脉冲)，这类环境形成MOS管的消耗很大并产生大批热量、降落了开关效力。

消耗来历

经由进程对MOS管特征的阐发能够或许看出，MOS管并不是纯真的电压节制器件。它的开启和开关速度与电流有关，它取决于驱动电路是不是能够或许在它须要时供给充足的电流，使电容Cgs疾速充电。由于在第二段时，受“Miller”电荷及极间电容的影响，电容充电须要较永劫候，形成MOS管开关消耗增添，产生大批的热量。同时由于VDS电压落空了线性的进程，开关导通时漏极电流回升的速度是漏极电压降落速度的几倍，这将形胜利率消耗增添。在这全部进程中，MOSF管的开关消耗和功率消耗都增添，这就很轻易形成MOS管的销毁。以是在第二段火急请求栅极驱动能够或许供给充足的电流，在短时候内为第二段曲线对应的栅极电容Cgs充电，使MOS管敏捷地开启。同时，要供给一个公道的 Vgs最好平台电压(也便是总的QG)，在此进程节制VDS电压的线性度，使电流的变更和漏极电压变更率相称，削减功率消耗。操纵MOS管及分立器件完成-48 V电源缓启动须要优化电路设想，既要供给栅极电流，又要节制好漏源电压的线性度，从而节制漏极打击电流，以削减MOS管的消耗。

削减MOS管消耗的体例

减小开关消耗一方面要尽能够地制作出具有抱负开关特征的器件,另外一方面操纵新的线路手艺转变器件开关期间的波形,如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关手艺等。

(1)晶体管缓冲电路(即加接收收集手艺)

初期电源多接纳此线路手艺。接纳此电路, 功率消耗虽有所减小,但仍不是很抱负。①削减导通消耗在变压器次级线圈前面加饱和电感, 加反向规复时候快的二极管,操纵饱和电感障碍电流变更的特征, 限定电流回升的速度,使电流与电压的波形尽能够小地堆叠。②削减停止消耗加R 、C 接收收集, 推延变压器反激电压产生时候, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率消耗为0。该电路操纵电容上电压不能渐变的特征,推延反激电压产生时候。为了增添靠得住性,也可在功率管上加R 、C 。可是此电路有较着错误谬误:由于电阻的存在,致使接收收集有消耗 。

(2)谐振电路

该电路只转变开关刹时电流波形,不转变导通时电流波形。只需挑选好适合的L 、C ,连系二极管结电容和变压器漏感, 就能够保障电压为0时,开关管导通或停止。是以, 接纳谐振手艺能够使开关消耗很小。以是, SWITCHTEC 电源开关频次能够或许做到术布局380kHz的高频次。

(3)软开关手艺

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位感化, 并组成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压感化下, 电容被充电, 电压不能俄然增添, 当电压比拟大的时侯, 电流已为0。

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