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LLC--开关损耗及软开关

2026-01-08 10:11:01

一、开关管损耗来源

1.导通损耗

MOS管在导通时,会产生一个沟道,比如N沟道MOS管在导通时产生的沟道是由N型载流子去形成的沟道,该沟道会有一个R_{DS(on)}(DS之间会有一个导通电阻),P=I^{2}R_{DS(on)},I就是流过管子的电流,P就是导通损耗。

2.开关损耗

MOS管在开通和关断时都会有损耗,P=U×I。

3.反向恢复损耗

MOS管有一个寄生二极管(体二极管),该体二极管是由MOS管内部的PN结形成的,因为PN结都会有一个空间电荷区,在正向导通和反向截止的来回切换中,会对这个空间电荷区进行充放电,从而产生损耗。

二、开关损耗详情(BUCK电路为例)

1.开通损耗

MOS管开通的过程中(模拟电路不会存在电压跳变的过程),电压从0到高一定是一个缓慢的过程。MOS导通前I_{DS}一定是0;当V_{GS}> V_{th}MOS管导通电压)时MOS管导通,V_{DS}开始逐渐下降,I_{DS}逐渐上升,这个时间记为t_{on},这个时候会产生开通损耗;MOS管关断的时候,MOS管两端是有电压的(应力);导通之后,MOS管两端是没有电压的。即MOS关断时应力=V_{DS},导通时电流是I_{DS}

由公式P=U×I推导出

I_{(t)}=\frac{I_{DS}}{t_{on}}\times t

U_{(t)}=-\frac{V_{DS}}{t_{on}}\times (t_{on}-t)

P_{on}=\int_{0}^{t_{on}}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt

2.关断损耗

当MOS管关断的时候,驱动从高电平到低电平,在高电平的时候有电流流过,低电平的时候没有电流流过。当驱动为高电平时,MOS管没有V_{DS},也没有应力;当驱动为低电平时,有V_{DS}也有应力。当MOS管关断过程中(V_{GS}V_{th}下降的过程),应力逐渐上升,电流逐渐下降。

由公式P=U×I推导出

I_{(t)}=\frac{I_{DS}}{t_{off}}(t_{off}-t)

U_{(t)}=\frac{V_{DS}}{t_{off}}\times t

P_{off}=\int_{0}^{t_{off}}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt

三、ZCS与ZVS

1.软开关:开关损耗等于0,即P=\int_{0}^{t}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dt=0,首先t不可能=0,驱动上升速度可以加快,但上升的时间是不可能变为零的,因为有一个寄生电容,MOS管导通相当于给寄生电容充电。

2.零电压导通(ZVS):让V_{(DS)}为0,应该开通之前就让电压先跌到0,然后再开通,这时电流上升的过程与电压下降的过程没有交点,在t_{on}的过程中U_{(t)}=0,P_{(on)}=0。从而实现软开关。

3.零电流关断(ZCS):让I_{(DS)}为0,应该关断之前就让电流先到0,然后再关断,这时电流下降的过程与电压上升的过程没有交点,在t_{off}的过程中I_{(t)}=0,P_{off}=0。从而实现软开关。

四、BUCK电路中软开关的应用

1.BUCK的基本原理


左图为上管发波,电感储能的过程;右图上管关断,不管下管发不发波,电感的电流都会通过下管的体二极管续流。

2.上管关断的详细过程

在电感储能过程中,A点电压是VIN;上管关断,通过Q2的体二极管进行续流,假设地为零,二极管压降为0.7V,则稳定状态时A、B、C点都是-0.7V。因为上管电流也是逐渐减到0的,在下管开始续流的时候上管也是有电流的,则I_{L}=I_{top}+I_{c}+I_{d},电感电流在储能续流的过程中不改变,会从C3抽取能量,Vc会一直减小到-0.7≈0,也就是下管的应力也减小到0,Ic也减小到0,上管电流也逐渐减到0,故最终状态I_{L}=I_{d},且没有开通损耗,实现软开关。

3.BUCK电路中下管的电压电流波形

当上管驱动电压从V_{GS}V_{th}时,下管二极管开始续流,下管的I_{DS}开始逐渐上升;下管电流上升过程中,下管应力逐渐减小;当下管应力小到0时I_{L}=I_{d},下管电流趋于稳定;在下管电流趋于稳定后,下管发波导通。因为应力为零,P=\int_{0}^{t}I_{(t)}\cdot U_{(t)}dtU_{(t)}为0,则P等于0,实现零电压导通。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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一、开关管损耗来源1.导通损耗MOS管在导通时,会产生一个沟道,比如N沟道MOS管在导通时产生的沟道是由N型载流子去形成的沟道,该沟道会有一个(DS之间会有一个
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