开关损耗怎么算

开关损耗是评估开关电源效率时的一个重要参数，它主要来源于MOSFET在开通和关断过程中的电压和电流交叠所产生的损耗。以下是计算开关损耗的基本方法：

1. 开通损耗：开通损耗发生在MOSFET从关闭状态到完全导通状态的过程中。在这段时间内，电压不是立即下降到零，电流也不是立即上升到负载电流，它们之间存在一个交叠区域，从而产生损耗。开通损耗的计算公式可以表示为： $ P_{\text{on}} = \frac{1}{2} \cdot I_{\text{peak}}^2 \cdot R_{\text{DS(on)}} \cdot t_{\text{on}} $ 其中，$ I_{\text{peak}} $ 是电流峰值，$ R_{\text{DS(on)}} $ 是导通电阻，$ t_{\text{on}} $ 是开通时间2。

2. 关断损耗：关断损耗与开通损耗类似，发生在MOSFET从导通状态到关闭状态的过程中。关断损耗的计算公式为： $ P_{\text{off}} = \frac{1}{2} \cdot V_{\text{DS}}^2 \cdot Q_{\text{g}} $ 其中，$ V_{\text{DS}} $ 是漏源电压，$ Q_{\text{g}} $ 是栅极电荷2。

3. 总开关损耗：总开关损耗是开通损耗和关断损耗的总和。在实际应用中，还需要考虑开关频率，因为开关频率的增加会导致开关损耗的累积。总开关损耗的计算公式为： $ P_{\text{total}} = P_{\text{on}} + P_{\text{off}} \cdot f_{\text{sw}} $ 其中，$ f_{\text{sw}} $ 是开关频率2。

4. 考虑实际应用：在实际应用中，开关损耗的计算还需要考虑其他因素，如纹波系数、降压系数等。例如，在BUCK电源的计算实例中，需要根据具体的输入电压、输出电压、开关频率和负载电流等参数来确定开关损耗2。

5. SiC MOSFET损耗计算：对于使用SiC MOSFET的开关电路，可以通过线性近似法分割波形并使用近似公式来计算损耗，这种方法适用于SiC MOSFET的开关损耗计算5。

在设计开关电源时，合理选择MOSFET并准确计算开关损耗对于提高电源效率和减少发热至关重要134。

纹波系数和降压系数是如何影响开关损耗的?

纹波系数和降压系数是影响开关电源性能的两个重要参数，它们对开关损耗有着直接的影响。

首先，纹波系数主要与电感L和电容C有关。在开关电源中，电感L的选取会影响电流纹波系数，而电流纹波系数的大小会直接影响开关损耗。当电流纹波系数较小时，意味着电感L较大，这有助于减小纹波值，从而降低开关损耗。这是因为较大的电感可以存储更多的能量，减少开关时电流的突变，从而减少开关损耗。"为了简化问题分析，先假设选取的电感L较大使得电流纹波系数r的值较小，不再是应力的主要影响因素"8。

其次，电容C的选取也会影响纹波系数。电容的储能能力可以减少电感电流的变化，从而减少纹波。然而，电容的等效串联电阻（ESR）会产生纹波，这是因为ESR会在电流变化时产生电压降，增加开关损耗。"电容储能带来的纹波假设负载电流恒定，那么电感电流的变化，等于电容电流的变化"以及"电容ESR带来的纹波上面的电容纹波是不考虑ESR的"9。

最后，降压系数，即输入电压Vin与输出电压Vout的比值，也会影响开关损耗。降压系数较大时，意味着需要更大的电压转换比，这通常需要更高的开关频率或更大的滤波元件来减小纹波，从而增加开关损耗。"然后选取占空比作为自变量，将Vin和Vout两个自变量降为"8。

综上所述，纹波系数和降压系数通过影响电感、电容的选择和开关频率，间接地影响开关损耗。合理设计这些参数可以有效地减小纹波，降低开关损耗，提高开关电源的效率。

在实际应用中，如何测量MOSFET的导通电阻和栅极电荷?

在实际应用中，测量MOSFET的导通电阻和栅极电荷的方法有多种，以下是一些关键步骤和考虑因素：

1. 导通电阻的测量：

   • MOSFET的导通电阻（RDS(on)）是其最重要的特性之一，它表示漏极到源极的电阻11。
   • 晶圆级测量RDS(on)具有优势，因为这样可以在封装之前进行测量，从而避免封装和PCB走线中的寄生效应11。
   • 为了实现毫欧级导通电阻的测试，推荐使用开尔文测试法14。这种方法可以提高测量精度，但需要注意的是，晶圆表面通常只有栅极（G）和源极（S）两个电极，而漏极（D）在晶圆背面，这可能会对测试造成一定的挑战14。

2. 栅极电荷的测量：

   • 栅极电荷的测量可以通过栅极电荷方法进行，该方法涉及将固定测试电流（Ig）引入MOS晶体管的栅极，并测量栅极源电压（Vgs）与流入栅极的电荷之间的关系12。
   • 在测量过程中，对漏极端子施加一个固定的电压，这有助于更准确地测量栅极电荷12。

3. 其他考虑因素：

   • 在进行导通电阻测量时，需要考虑待测器件（DUT）的几何形状和到器件的接线等因素，以保证Kelvin阻值测量的精度13。
   • 在电源应用中，MOSFET的电阻性质也非常重要，漏源端上的压降是流入半导体的电流的线性函数15。
   • 在大电流应用中，需要注意MOSFET封装和PCB走线中的寄生电感或变压器漏感，这些因素可能导致关断瞬态高压17。

通过上述方法和考虑因素，可以更准确地测量MOSFET的导通电阻和栅极电荷，从而优化其在电源应用中的性能。

如何选择合适的MOSFET以减少开关损耗?

选择合适的MOSFET以减少开关损耗是一个涉及多个因素的复杂过程。以下是一些关键步骤和考虑因素：

1. 权衡传导损耗和开关损耗：设计人员需要在MOSFET的传导损耗和开关损耗之间找到平衡。传导损耗发生在MOSFET关闭期间，由于电流流过导通电阻而造成；而开关损耗则发生在MOSFET开关过程中。"MOSFET 的选择关乎效率，设计人员需要在其传导损耗和开关损耗之间进行权衡。"18

2. 选择适当的L和C值：为了减少关断损耗，可以通过选择适当的电感(L)和电容(C)值来实现。这需要考虑二极管结电容和电路的具体情况。"只要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和..."19

3. 使用适当的驱动电压和电流：加快MOSFET的开关速度可以减少开关过渡区域，从而降低损耗。这可以通过使用适当的驱动电压和提供足够的驱动电流来实现。"使用适当的驱动电压和提供足够的驱动电流可以加快MOSFET的开关速度，减少开关过渡区域，以此来减少损耗。"20

4. 选择具有较高临界电压的驱动IC：使用具有较高临界电压的驱动IC可以避免在开关过程中的不必要损耗。"使用具有较高临界电压的驱动IC可以避免..."20

5. 选择低导通电阻的FET：选择一个低导通电阻的FET是降低DC损耗的一种简单方法。"降低DC 损耗最简单的一种方法是选择一个低导通电阻的FET。"2122

6. 考虑FET的导通时间：DC损耗的大小与FET的百分比导通时间成正比例关系。设计时需要考虑高侧FET控制器的占空比，以及低侧FET的相应参数。"DC损耗大小同FET的百分比导通时间成正比例关系，其为高侧FET控制器占空比加上1减去低侧FET..."2122

通过综合考虑上述因素，可以有效地选择合适的MOSFET，以减少开关损耗并提高整体电路的效率。

SiC MOSFET与传统硅MOSFET在开关损耗方面有哪些不同?

SiC MOSFET与传统硅MOSFET在开关损耗方面存在显著差异。首先，SiC MOSFET在开关模式切换损耗方面具有明显优势，相较于硅二极管，SiC MOSFET可以实现75%以上的总体下降，这主要得益于其更低的导通电阻和几乎可以忽略不计的二极管恢复损耗。"导损耗类似，与硅二极管相比，SiC MOSFET在开关模式切换损耗方面将会有75％以上的总体下降，同时二极管恢复损耗几乎可忽略不计。"23

此外，SiC MOSFET的导通电阻和开关损耗都大幅降低，这使得它们适用于更高的工作频率。"在碳化硅mosfet的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率"24。这种降低的导通电阻和开关损耗，加上SiC MOSFET的高温工作能力，使其在高效率和高频率应用中具有优势。

SiC MOSFET还具有极低的导通电阻RDS(ON)，这导致了优越的正向压降和导通损耗，同时具有相当低的栅极电荷和非常低的漏电流，这些特性使得SiC MOSFET能够实现超快的开关速度，进一步降低开关损耗。"SiC MOSFET 有极其低的导通电阻RDS(ON),导致了极其优越的正向压降和导通损耗, 并且具有相当低的栅极电荷和非常低的漏电流,能适合超快的开关速度"27。

最后，SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上也有所不同，SiC MOSFET具有更强的短路耐受能力，例如英飞凌CoolSiC™系列SiC MOSFET具有大约3秒的短路耐受能力，这可以利用器件本身的特性来实现更高效的短路保护。"SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上有所差异，以英飞凌CoolSiC™ 系列为例，全系列SiC MOSFET具有大约3秒的短路耐受能力"28。

综上所述，SiC MOSFET在开关损耗方面具有显著优势，包括更低的导通电阻、更低的开关损耗、更高的工作频率、更强的短路耐受能力以及超快的开关速度，这些特性使得SiC MOSFET在现代电力电子应用中越来越受到青睐。

开关频率对开关损耗的影响有多大，如何优化?

开关频率对开关损耗的影响是显著的，它直接关系到开关电源的效率、发热以及整体性能。在开关电源设计中，开关频率的选择对于核心电路指标的计算至关重要，包括损耗、效率和发热等3031。具体来说，开关频率的提高会增加开关损耗，这是因为在高频下，开关元件如MOSFET在开关过程中的导通和关断时间减少，导致损耗增加33。

为了优化开关频率对开关损耗的影响，可以采取以下几种方法：

1. 选择合适的MOSFET：选用具有低导通和开关损耗的MOSFET，这通常意味着选择低电阻和低通道电荷的元件，从而减少开关过程中的损耗34。

2. 跳频控制方法：在轻负载情况下，通过降低模块电源的开关频率来降低驱动损耗，这不仅可以提高轻负载条件下的效率，还能使系统在待机工作下更加节能35。

3. 设计和优化Buck电路：在设计和优化Buck电路时，需要充分考虑开关损耗和开关频率等因素，以实现高效能、稳定可靠的电源输出。这可能涉及到对电路拓扑、元件选择和控制策略的深入分析和优化36。

通过这些方法，可以有效地减少开关频率对开关损耗的影响，提高电源系统的整体性能和效率。