双向直流电源突发模式下的功率管损耗如何计算？

在双向直流电源突发模式下，功率管损耗主要包括导通损耗、开关损耗（开通损耗和关断损耗）、死区时间损耗、驱动损耗等，以下是具体计算方法及分析：

导通损耗

导通损耗是指功率管在导通状态下，由于导通电阻而产生的功率损耗。在双向直流电源中，功率管（如IGBT或MOSFET）在导通时，其漏源电流（IDS(on)）会在导通电阻（RDS(on)）上产生压降，从而产生导通损耗。导通损耗的计算公式为：

• 公式：Pon=IDS(on)rms2×RDS(on)×K×Don

• 参数说明：

  • IDS(on)rms：导通期间漏源电流的有效值。
  • RDS(on)：导通电阻，会随漏源电流值和器件结点温度不同而变化，需根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的值，并乘以规格书提供的温度系数K。
  • Don：导通占空比。

• 计算要点：

  • 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。
  • 在突发模式下，由于电流和电压的波动可能较大，需要更精确地测量或预计IDS(on)rms和RDS(on)的值。

开关损耗

开关损耗包括开通损耗和关断损耗，是由于功率管在开关过程中，电压和电流的交叠而产生的损耗。

• 开通损耗：

  • 产生原因：非理想的开关管在开通时，电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间；同时电流也不是立即上升到负载电流，而是有一个上升时间。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。
  • 计算公式（以A类假设为例）：Poff_on=61×VDS(off_end)×Ip1×tr×fs
  • 参数说明：
    • VDS(off_end)：开启时刻前的漏源电压。
    • Ip1：开启完成后的负载电流初始值。
    • tr：上升时间。
    • fs：开关频率。

• 关断损耗：

  • 产生原因：功率管在关断过程中，电压不是立即上升到负载电压，而是有一个上升时间；同时电流也不是立即下降到零，而是有一个下降时间。在这段时间内，开关管的电流和电压也有一个交叠区，会产生损耗。
  • 计算公式（以A类假设为例）：Poff_on=61×VDS(off_beginning)×Ip2×tf×fs
  • 参数说明：
    • VDS(off_beginning)：关断完成后之漏源电压。
    • Ip2：关断时刻前的负载电流末端值。
    • tf：下降时间。
    • fs：开关频率。

• 计算要点：

  • 在突发模式下，由于开关频率和占空比可能动态变化，需要实时测量或预计开关过程中的电压和电流波形。
  • 实际计算中，针对不同的假设（如A类假设和B类假设）会延伸出不同的计算公式，B类假设可作为最恶劣模式的计算值。

死区时间损耗

死区时间损耗是指在死区时间内，由于低边开关（MOSFET）体二极管的正向电压和负载电流而产生的损耗。在同步整流式DC/DC转换器中，为了避免直通电流，会设置一段死区时间，在这段时间内两边的开关都是OFF的。然而，实际的开关是MOSFET，其中存在被称为“体二极管”的寄生二极管。在死区时间内，低边MOSFET的体二极管相对于负载电流是正向的，电流通过这个体二极管流向负载，从而产生损耗。

• 计算公式：Pdead_time=VF×IL×tdead（具体公式可能因电路架构和器件参数而异）

• 参数说明：

  • VF：体二极管的正向电压。
  • IL：负载电流。
  • tdead：死区时间。

• 计算要点：

  • 在突发模式下，死区时间可能因控制策略的调整而变化，需要实时测量或预计死区时间和负载电流的值。

驱动损耗

驱动损耗是指栅极接受驱动电源进行驱动时产生的损耗。在双向直流电源中，功率管的栅极需要接受驱动电源提供的电压和电流来控制其开关状态。驱动损耗的计算公式为：

• 公式：Pgs=Vgs×Qg×fs

• 参数说明：

  • Vgs：驱动电源电压。
  • Qg：总驱动电量，可通过器件规格书查找得到。
  • fs：开关频率。

• 计算要点：

  • 在突发模式下，由于开关频率可能动态变化，需要实时测量或预计驱动电源电压和开关频率的值。