中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集反激同步整流变换器的损耗模型分析宋辉淇，林维明（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350002）摘要建立了反激同步整流变换器的损耗模型。对功率MOSFET工作过程中的各种损耗进行详细的分析，对变压器、滤波电容等主要元件的损耗模型进行理论分析。利用MathCAD软件，对反激同步整流变换器的损耗进行具体的实例分析，并通过实验验证损耗模型分析的正确性。关键词反激变换器；同步整流技术；损耗模型Abstract:Thecircuitmodelandcalculationofpowerdissipationisthekeystepforoptimizingtheconverters.Themathematicmodelofpowerdissipationintheflybackconverterisimprovedandverifiedbytheexperimentinthispaper.Keywords:FlybackConverter;SynchronousRectification;ModelofPowerDissipation1概述对PWM开关变换器中各个部分的工作损耗,建立其数学模型并进行事先估算，可以提高工程设计效率,使电路设计有的放矢。本文预期得到一个比较接近实际的损耗估计模型。这些损耗的估算数据可用来决定需要采用何种相应的半导体封装，也可以从大体上估计出整个电路的热分布情况，可作为进一步优化效率、改善电路热性能的出发点，以及决定是否需要加装散热片等。2反激同步整流变换器的损耗模型分析2.1功率MOSFET的损耗模型分析功率MOSFET是常用的功率开关器件，由于具有使用容易、能够自动均流等特点，因此广泛应用于高频和需要多管并联的场合,适合中小功率应用及做同步整流管。功率MOSFET的等效电路模型如图1所示。其中DSC及DGC和GSC为MOSFET的寄生电容，其值是非线性的，与施加在MOSFET上的电压大小有关。为了简化分析，在本文中认为寄生电容值是不变的，并且忽略引线的寄生电感。功率MOSFET在工作过程中的损耗通常由下面几部分组成：导通损耗conP、开关损耗swP、驱动损耗drvP、输出电容损耗ossP、体内二极管反向恢复损耗qrrP。下面将对各部分损耗分别进行分析。(1)功率MOS管的导通损耗conP导通损耗是当功率器件已被开通，且驱动和开关波形已经稳定以后，功率开关处于导通状态时的损耗。功率MOS管的导通损耗为：2251()TCdsonconrmsPIRDK°××−×=（1）其中，rmsI是通过功率MOS管的有效值电流,25CdsonR°为功率MOS管的结温为25℃的通态电阻,TK为导通电阻的温度系数。(2)功率MOS管的开关损耗swP开关损耗是出现在功率开关被驱动，从原来的开关状态过渡到另一个新的工作状态，在过渡过程中，由于功率MOS管漏源极上电压和电流同时发生变化，电压和电流相交叠而引起的损耗。MOSFET理想的开关过程如图2所示，其典型的开通和关断过程都可分为4个阶段。虽然许多厂商在其产品手册中都会给出一些参数，但是，有些参数只给出一个范围，并没有给出具体的数[t5～t6]RG1CDGCGSCDSDSGMosfet图1功率MOSFET的等效电路模型中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集阶段，栅源极间电压开始下降，MOS管的漏源极间电压与漏极电流几乎保持不变，若忽略MOS管的正向导通压降，则这段时间没有开关损耗。VGSVDSIDtt10t2t3t4t5t6t7t8()dsonIR⋅TurnonTurnofft9在[t6～t7]阶段，MOS管的漏极电流基本保持在0DI，若忽略MOS管的正向导通压降，则漏源极间电压开始从零上升到0DSV；这段时间栅源极间电压保持在Miller电平_GSMillerV，MOSFET的Miller电容gdC通过驱动电路放电，此时，放电电流的大小：_11GSMillerGGcgdVIRR=+（14）漏源极之间的电压：1()cgddsgdIVtCt=⋅（15）这段充电时间：0_3376DSGSMillerVTVttτ⋅=−=（16）时间常数3τ：13()GGgdRRCτ=+⋅（17）在这一阶段的开关损耗：003312DSDswPVIT=⋅⋅⋅（18）在[t7～t8]阶段，MOS管的漏极电流从稳态值0DI下降到零，而漏源极间电压保持不变0DSV；这段时间栅源极间电压从Miller电平_GSMillerV下降到门槛电压THV，MOSFET的输入电容issC通过驱动电路放电，同理有issgsCC≈；此时，MOS管的充电电路可等效成一阶RC电路，这段放电时间：_4874lnTHGSMillerVTVttτ=−=⋅（19）时间常数4τ：14()GGgsRRCτ=+⋅（20）在这一阶段的开关损耗：004412DSDswPVIT=⋅⋅⋅（21）在[t8～t9]阶段，由于MOS管已经关断，MOSFET流过的电流为零，因此这段时间没有开关损耗。在一个开关周期内，总的开关损耗swP：1234swswswswswPPPPP=+++（22）(3)功率MOS管的驱动损耗drvP由图1可知，MOS管的每两个极之间都存在极间寄生电容，MOS管的开关过程实际上是驱动电路对MOS管的寄生电容进行充放电的过程，由于驱动电路自身的输出阻抗、外部栅极电阻以及MOS管自身内部的栅极电阻的存在，这些电阻在MOS管寄生电容的充放电过程中产生损耗，这部分损耗即为驱动损耗。在MOSFET开通过程中，驱动电路上的功耗为：_12drvongdrvPQV=××（23）其中，gQ为总栅极电荷,drvV为驱动电压。在MOSFET关断过程中，又会消耗同样的功率：在[t1～t2]阶段，MOS管的漏极电流从零上升到稳态值0DI，而漏源极间电压保持不变0DSV；这段时间栅源极间电压从门槛电压THV上升到Miller电平_GSMillerV，驱动电路对MOSFET的输入电容issC充电，由于issgdgsCCC=+（gdgsCC），所以issgsCC≈；此时，MOS管的充电电路可等效成一阶RC电路，这段充电时间：_1211lnTHGSMillerhhVVTttVVτ−=−=⋅−（6）时间常数1τ：11()GGgsRRCτ=+⋅（7）其中，hV为外部电路施加的驱动电压，GR为驱动回路的电阻，1GR为MOS管的内部电阻。在这一阶段的开关损耗：001112DSDswPVIT=⋅⋅⋅（8）中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集在[t2～t3]阶段，MOS管的漏极电流基本保持在0DI，若忽略MOS管的正向导通压降，则漏源极间电压开始从0DSV下降到零；这段时间栅源极间电压保持在Miller电平_GSMillerV，驱动电路对MOSFET的Miller电容gdC充电，此时，充电电流的大小：_1GSMillerGGhcgdVVIRR−+=（9）漏源极之间的电压：0()DScgddsgdIVtVtC=−⋅（10）这段充电时间：0_2322DSGSMillerhVTVVttτ=−−=⋅（11）时间常数2τ：12()GGgdRRCτ=+⋅（12）在这一阶段的开关损耗：002212DSDswPVIT⋅⋅⋅=（13）在[t3～t4]阶段，栅源电压继续上升，达到驱动电路所给定的驱动电压值，若忽略MOS管的正向导通压降，则这段时间没有开关损耗。在[t4～t5]阶段，MOS管处于导通阶段，这段时间的损耗即为导通损耗。t5时刻，MOS管开始关断，关断过程与开通过程相似，下面分析关断过程的开关损耗在[t5～t6]阶段，栅源极间电压开始下降，MOS管的漏源极间电压与漏极电流几乎保持不变，若忽略MOS管的正向导通压降，则这段时间没有开关损耗。在[t6～t7]阶段，MOS管的漏极电流基本保持在0DI，若忽略MOS管的正向导通压降，则漏源极间电压开始从零上升到0DSV；这段时间栅源极间电压保持在Miller电平_GSMillerV，MOSFET的Miller电容gdC通过驱动电路放电，此时，放电电流的大小：_11GSMillerGGcgdVIRR=+（14）漏源极之间的电压：1()cgddsgdIVtCt=⋅（15）这段充电时间：0_3376DSGSMillerVTVttτ⋅=−=（16）时间常数3τ：13()GGgdRRCτ=+⋅（17）在这一阶段的开关损耗：003312DSDswPVIT=⋅⋅⋅（18）在[t7～t8]阶段，MOS管的漏极电流从稳态值0DI下降到零，而漏源极间电压保持不变0DSV；这段时间栅源极间电压从Miller电平_GSMillerV下降到门槛电压THV，MOSFET的输入电容issC通过驱动电路放电，同理有issgsCC≈；此时，MOS管的充电电路可等效成一阶RC电路，这段放电时间：_4874lnTHGSMillerVTVttτ=−=⋅（19）时间常数4τ：14()GGgsRRCτ=+⋅（20）在这一阶段的开关损耗：004412DSDswPVIT=⋅⋅⋅（21）在[t8～t9]阶段，由于MOS管已经关断，MOSFET流过的电流为零，因此这段时间没有开关损耗。在一个开关周期内，总的开关损耗swP：1234swswswswswPPPPP=+++（22）(3)功率MOS管的驱动损耗drvP由图1可知，MOS管的每两个极之间都存在极间寄生电容，MOS管的开关过程实际上是驱动电路对MOS管的寄生电容进行充放电的过程，由于驱动电路自身的输出阻抗、外部栅极电阻以及MOS管自身内部的栅极电阻的存在，这些电阻在MOS管寄生电容的充放电过程中产生损耗，这部分损耗即为驱动损耗。在MOSFET开通过程中，驱动电路上的功耗为：_12drvongdrvPQV=××（23）其中，gQ为总栅极电荷,drvV为驱动电压。在MOSFET关断过程中，又会消耗同样的功率：_12drvoffgdrvPQV=××（24）则在一个开关周期内，总的栅极驱动损耗为：__drvdrvondrvoffgdrvPPPQV=+=×（25）(4)功率MOS管的输出电容损耗ossP在MOS管关断的时候，其输出电容会被充电，漏源极上承受电压；当MOS管开通的时候，输出电容上的电荷会通过MOS管自身释放，因而在MOS管内部产生损耗，这部分损耗即为输出电容损耗。在一个开关周期内，总的输出电容损耗为：中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集12ossoffossPVQ=××（26）其中，offV表示MOS管关断的时候漏源极上所承受的电压，ossQ为MOS管输出电容上的电荷。(5)功率MOS管的体内二极管的导通损耗_condP和普通的二极管一样，当功率MOS管的体内二极管导通的时候，二极管上产生的损耗：_SDDdcondVITP⋅⋅=（27）其中，SDV为体内二极管的正向导通压降，DI为流经体二极管的电流，dT为体二极管的导通时间。(6)功率MOS管的体二极管的反向恢复损耗qrrP当功率MOS管的体内二极管导通的时候，在二极管内部存储了大量的少子，当体内二极管关断的时候，这些少子必须被去掉，二极管才能承受反向电压。在这过程中会产生反向恢复电流，该电流引起的损耗称为反向恢复损耗：qrroffrrsPVQf=××（28）其中，rrQ为体内二极管的反向恢复电荷，offV表示MOS管关断的时候所承受的电压，sf为开关频率。2.2反激变压器的损耗模型分析反激变压器实际上是一个多绕组的耦合电感，它的功能是从输入电源取得能量，存储在磁场中，然后再将这些磁能转化为电能传输到负载。因此，反激变压器的工作模式与传统变压器有所不同。在高频情况下，变压器的损耗主要由磁芯损耗coreP和绕组损耗windP组成。磁芯损耗常用下式计算：corevcPVP=⋅（29）其中,vP为给定工作频率、交变工作磁密峰值下单位体积的磁芯损耗，即磁芯的功率损耗密度，一般磁芯材料厂商都会提供该功率损耗密度曲线，可以很容易获得所需要的数据；cV为磁芯的体积。变压器的绕组损耗windP在反激变换器中，