MOS管损耗的8个组成部分

开关模式电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

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。

MOS管损耗的8个组成部分

在器件设计选择过程中需要对 MOSFET 的工作过程损耗进行先期计算（所谓先期计算是指在没能够测试各工作波形的情况下，利用器件规格书提供的参数及工作电路的计算值和预计波形，套用公式进行理论上的近似计算）。

MOSFET 的工作损耗基本可分为如下几部分：

1 导通损耗Pon

导通损耗，指在 MOSFET 完全开启后负载电流（即漏源电流） IDS（on）（t）在导通电阻 RDS（on）上产生之压降造成的损耗。

导通损耗计算

先通过计算得到 IDS（on）（t）函数表达式并算出其有效值 IDS（on）rms，再通过如下电阻损耗计算式计算：

Pon=IDS（on）rms2× RDS（on）× K × Don

说明

计算 IDS（on）rms时使用的时期仅是导通时间 Ton ，而不是整个工作周期 Ts ； RDS（on） 会随 IDS（on）（t）值和器件结点温度不同而有所不同，此时的原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的 RDS（on） 值（即乘以规格书提供的一个温度系数 K ）。

2 截止损耗Poff

截止损耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源电压 VDS（off） 应力下产生的漏电流 IDSS造成的损耗。

截止损耗计算

先通过计算得到 MOSFET 截止时所承受的漏源电压 VDS（off） ，在查找器件规格书提供之 IDSS ，再通过如下公式计算：

Poff=VDS（off）× IDSS×（ 1-Don）

说明

IDSS 会依 VDS（off） 变化而变化，而规格书提供的此值是在一近似 V（BR）DSS条件下的参数。如计算得到的漏源电压 VDS（off）很大以至接近 V（BR）DSS则可直接引用此值，如很小，则可取零值，即忽略此项。

3 开启过程损坏

开启过程损耗，指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS（off_on）（t）与逐渐上升的负载电流（即漏源电流） IDS（off_on）（t）交叉重叠部分造成的损耗。

开启过程损耗计算

开启过程 VDS（off_on）（t） 与 IDS（off_on）（t） 交叉波形如上图所示。首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS（off_end）、开启完成后的 IDS（on_beginning）即图示之 Ip1，以及 VDS（off_on）（t） 与 IDS（off_on）（t） 重叠时间 Tx。然后再通过如下公式计算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（off_on）（t） × ID（off_on）（t） × dt

实际计算中主要有两种假设 — 图 （A） 那种假设认为 VDS（off_on）（t）的开始下降与 ID（off_on）（t）的逐渐上升同时发生；图 （B） 那种假设认为 VDS（off_on）（t）的下降是从 ID（off_on）（t）上升到最大值后才开始。图 （C） 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实际测试到的波形，其更接近于 （A） 类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式：

（A） 类假设 Poff_on=1/6 × VDS（off_end） × Ip1× tr × fs

（B） 类假设 Poff_on=1/2 × VDS（off_end） × Ip1 × （td（on）+tr） × fs

（B） 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明：

图 （C） 的实际测试到波形可以看到开启完成后的 IDS（on_beginning）》》Ip1（电源使用中 Ip1 参数往往是激磁电流的 初始值）。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到，其 跟电路架构和器件参数有关。例如 FLYBACK 中 实际电流应 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib （Ia 为次级端整流二极管的反向恢 复电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比， Ib 为变压器 初级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关开通瞬间释放的 电流 ） 。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的 主要原因之一。

4 关断过程损耗

关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中 逐渐上升的漏源电压 VDS（on_off） （t）与逐渐 下降的漏源电流 IDS（on_off）（t）的交叉重 叠部分造成的损耗。

关断过程损耗计算

如上图所示，此部分损耗计算原理及方法跟 Poff_on类似。 首先须计算或预计得到关断完成后之漏源电压 VDS（off_beginning）、关断时刻前的负载电流 IDS（on_end）即图示之 Ip2 以及 VDS（on_off） （t）与 IDS（on_off）（t）重叠时间 Tx 。然后再通过 如下公式计算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS（on_off）（t） × IDS（on_off）（t） × dt

实际计算中，针对这两种假设延伸出两个计算公式：

（A） 类假设 Poff_on=1/6 × VDS（off_beginning） × Ip2 × tf × fs

（B） 类假设 Poff_on=1/2 × VDS（off_beginning） × Ip2 × （td（off）+tf） × fs

（B） 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明：

IDS（on_end） =Ip2，电源使用中这一参数往往是激磁电流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在关断完成后之 VDS（off_beginning）往往都有一个很大的电压尖峰 Vspike 叠加其 上，此值可大致按经验估算。

5 驱动损坏Pgs

驱动损耗，指栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗

驱动损耗的计算

确定驱动电源电压 Vgs后，可通过如下公式进行计算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

说明

Qg 为总驱动电量，可通过器件规格书查找得到。

6 Coss电容的泄放损耗Pds

Coss电容的泄放损坏，指MOS输出电容 Coss 截止期间储蓄的电场能于导同期间在漏源极上的泄放损耗。

Coss电容的泄放损耗计算

首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS，再通过如下公式进行计算：

Pds=1/2 × VDS（off_end）2× Coss × fs

说明

Coss 为 MOSFET 输出电容，一般可等于 Cds ，此值可通过器件规格书查找得到。

7 体内寄生二极管正向导通损耗Pd_f

体内寄生二极管正向导通损耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗。

体内寄生二极管正向导通损耗计算

在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中（例如同步整流），需要对此部分之损耗进行计算。公式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中： IF 为二极管承载的电流量， VDF 为二极管正向导通压降， tx 为一周期内二极管承载电流的时间。

说明

会因器件结温及承载的电流大小不同而不同。可根据实际应用环境在其规格书上查找到尽量接近之数值。

8 体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover

体内寄生二极管反向恢复损耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向恢复造成的损耗。

体内寄生二极管反向恢复损耗计算

这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 为二极管反向压降， Qrr 为二极管反向恢复电量，由器件提供之规格书中查找而得。