電源設(shè)計(jì)工程師在選用 Power MOSFET 設(shè)計(jì)電源時(shí)，大多直接以 Power MOSFET 的最大耐壓、最大導(dǎo)通電流能力及導(dǎo)通電阻等三項(xiàng)參數(shù)做出初步?jīng)Q定。但實(shí)際上，MOSFET/IGBT 的開關(guān)損耗測(cè)試是電源調(diào)試中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，開關(guān)損耗測(cè)試對(duì)于器件評(píng)估非常關(guān)鍵，但很多工程師對(duì)開關(guān)損耗的測(cè)量還停留在人工計(jì)算的感性認(rèn)知上。電源工程師們都知道開關(guān)MOS在整個(gè)電源系統(tǒng)里面的損耗占比是不小的，開關(guān)mos的的損耗我們談及最多的就是開通損耗和關(guān)斷損耗，今天以反激CCM模式的開通損耗和關(guān)斷損耗來(lái)把公式推導(dǎo)一番，希望能夠給各位有所啟發(fā)。

01開關(guān)損耗的誘因

開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗指功率管從截止到導(dǎo)通時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導(dǎo)通到截止時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。開關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關(guān)斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開關(guān)（Hard-Switching）和軟開關(guān)（Soft-Switching）中討論。

所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關(guān)管在開通時(shí)，開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管的電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，會(huì)產(chǎn)生損耗，這個(gè)損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關(guān)損耗另一個(gè)意思是指在開關(guān)電源中，對(duì)大的MOS管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，需要對(duì)寄生電容充放電，這樣也會(huì)引起損耗。

02最惡劣情況分析

下圖為電流與電壓在開關(guān)時(shí)交疊的過(guò)程，這個(gè)圖中描述的是其實(shí)是最惡劣的情況，開通時(shí)等mos管電流上升到I1之后mos管電壓才開始下降，關(guān)斷時(shí)等mos管電壓上升到Vds后mos管電流才開始下降。

03MOS管開關(guān)過(guò)程

MOS管開過(guò)程：

階段一：電壓不變電流上升（電壓為Vds不變，電流由0上升到Ip1）mos開通瞬間，電流從零快速開始上升到Ip1，此過(guò)程MOS的DS電壓不變?yōu)閂ds；

階段二：電流不變電壓下降（電流為Ip1不變，電壓由Vds下降到0）電流上升到Ip1后，此時(shí)電流的上升斜率（Ip1-Ip2段）相對(duì)0-Ip1這一瞬間是非常緩慢的，我們可以近似把上升到Ip1之后繼續(xù)上升的斜率認(rèn)為是0，把電流基本認(rèn)為是Ip1不變，此時(shí)MOS管的DS電壓開始快速下降到0V。

MOS管關(guān)閉過(guò)程：

階段一：電流不變電壓上升（電流為Ip2不變，電壓由0上升到Vds）電壓從0快速開始上升到最高電壓Vds，與開通同理此過(guò)程MOS的電流基本不變?yōu)镮p2；

階段二：電壓不變電流下降（點(diǎn)壓為Vds不變，電流由Ip2下降到0）電壓此時(shí)為Vds不變，電流迅速?gòu)腎p2以很大的下降斜率降到0。

下面直接給出最惡劣的情況的開通關(guān)斷損耗的計(jì)算公式：

至于關(guān)斷和開通的交越時(shí)間t下面會(huì)給出估算過(guò)程，請(qǐng)看下圖：

開通時(shí)：電流0-Ip1上升的過(guò)程與電壓Vds-0下降的過(guò)程同時(shí)發(fā)生。

關(guān)段時(shí)：電壓0-Vds的上升過(guò)程與電流從Ip2-0的下降過(guò)程同時(shí)發(fā)生。

04開通時(shí)的損耗推導(dǎo)

我們先把開通交越時(shí)間定位t1，我們大致看上去用平均法來(lái)計(jì)算好像直接可以看出來(lái)，Ip1/2 × Vds/2 *t1*fs，實(shí)際上這是不對(duì)的，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上準(zhǔn)確的計(jì)算是，在時(shí)間t內(nèi)每一個(gè)瞬時(shí)的都對(duì)應(yīng)一個(gè)功率，然后把這段時(shí)間內(nèi)所有的瞬時(shí)功率累加然后再除以開關(guān)周期T或者乘以開關(guān)頻率fs。好了思想有了就只剩下數(shù)學(xué)問(wèn)題了，我們一起來(lái)看下。

對(duì)于此式，Vds、Ip1在計(jì)算變壓器時(shí)已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，fs是開關(guān)頻率是已知的，所以只要求出t1就能估算出開通損耗。下面我來(lái)說(shuō)一下t1的估算方法，思路是根據(jù)MOS管datasheet給出的柵極總電荷量來(lái)計(jì)算時(shí)間t1，用公式Qg=i*t來(lái)計(jì)算。

我們來(lái)看看上圖是驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，Vth為MOS管的開通閾值，Vsp為MOS管的米勒平臺(tái)，實(shí)際上MOS管從開始導(dǎo)通到飽和導(dǎo)通的過(guò)程是從驅(qū)動(dòng)電壓a點(diǎn)到b點(diǎn)這個(gè)區(qū)間。其中柵極總電荷Gg是可以在mos管的datasheet中可以查詢到的。

然后就是要求這段時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電流，我們看下圖，這個(gè)電流結(jié)合你的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路來(lái)取值的。

根據(jù)你的驅(qū)動(dòng)電阻R1的值和米勒平臺(tái)電壓可以把電流i計(jì)算出來(lái)。米勒平臺(tái)電壓Vsp也可以在MOS管的datasheet中可以查到。

然后再根據(jù)你的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓（實(shí)際上就是近似等于芯片Vcc供電電壓），實(shí)物電壓做出來(lái)之前，在理論估算階段可以自己先預(yù)設(shè)定一個(gè)，比如預(yù)設(shè)15V。我們計(jì)算時(shí)把Vth到Vsp這一段把它近似看成都等于Vsp，然后就很好計(jì)算出i了。

i=(Vcc-Vsp)/R1

此刻驅(qū)動(dòng)電流i已經(jīng)求出，接下來(lái)計(jì)算平臺(tái)時(shí)間（a點(diǎn)到b點(diǎn)）t1。

Qg=i*t1

t1=Qg/i

接下來(lái)我們總結(jié)一下開關(guān)MOS開通時(shí)的損耗計(jì)算公式

i=(Vcc-Vsp)/R1 計(jì)算平臺(tái)處驅(qū)動(dòng)電流

t1=Qg/i 計(jì)算平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間（也就是mos開通時(shí)，電壓電流的交越時(shí)間）

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

05關(guān)斷時(shí)的損耗推導(dǎo)

MOS管開過(guò)程：

對(duì)于關(guān)斷時(shí)的損耗計(jì)算跟開通時(shí)的損耗就算推導(dǎo)方式?jīng)]什么區(qū)別，這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)果。

i=(Vsp)/R2 計(jì)算平臺(tái)處驅(qū)動(dòng)電流

t1=Qg/i 計(jì)算平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間（也就是mos關(guān)斷時(shí)，電壓電流的交越時(shí)間）

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

上文是針對(duì)反激CCM，對(duì)于DCM的計(jì)算方法是一樣的，不過(guò)DCM下Ip1為0，開通損耗是可以忽略不計(jì)的，關(guān)斷損耗計(jì)算方法一樣。

舉個(gè)例子

基于BUCK電源計(jì)算

假設(shè)現(xiàn)在有一降壓電源，參數(shù)如下：

輸入：Uin=12V

輸出：Uout=1.8V

開關(guān)頻率：f=500K

負(fù)載電流：Io=20A

紋波系數(shù)：r=0.4

選擇的MOS管為凌特的BSC050N03，參數(shù)如下

計(jì)算：

MOS管損耗

（1）導(dǎo)通損耗

MOS管導(dǎo)通損耗的計(jì)算公式為：P=I^2R= Rdson* Iqsw* IqswD= 20x20x61.8/12=0.36W

（2）開關(guān)損耗

開關(guān)損耗的計(jì)算公式：Psw=1/2* Vin*Iout *Fsx(Qgs2+Qgd)/Ig。

如果只計(jì)算開通損耗有：Psw=0.512（20-4）500k * （6n/5）=0.576W

如果只計(jì)算關(guān)斷損耗有：Psw=0.512*（20+4）*500k * （6n/1）=0.432W

Ig由選擇的驅(qū)動(dòng)芯片決定，LTC3883，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs=5V

（3）驅(qū)動(dòng)損耗

Pgate=VgQgfs=513n500k=0.0325W

開關(guān)管的總損耗：P=0.36+0.576+0.432+0.0325=1.4W

06用示波器怎么測(cè)試MOS功率損耗

一般來(lái)說(shuō)，開關(guān)管工作的功率損耗原理圖如下圖所示，主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過(guò)程”和“關(guān)閉過(guò)程”，小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”，而關(guān)閉狀態(tài)的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

實(shí)際的測(cè)量波形圖一般如下圖所示。

07MOSFET 和 PFC MOSFET 的測(cè)試區(qū)別

對(duì)于普通 MOS 管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形幾乎完全相同，因此整體功率損耗只需要任意測(cè)量一個(gè)周期即可。但對(duì)于 PFC MOS 管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準(zhǔn)確評(píng)估依賴較長(zhǎng)時(shí)間（一般大于 10ms），較高采樣率（推薦 1G 采樣率）的波形捕獲，此時(shí)需要的存儲(chǔ)深度推薦在 10M 以上，并且要求所有原始數(shù)據(jù)（不能抽樣）都要參與功率損耗計(jì)算，實(shí)測(cè)截圖如下圖所示。

審核編輯：湯梓紅