MOS管开关损耗计算方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及MOS管开关损耗技术领域，尤其涉及一种MOS管开关损耗计算方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

近年来，高频化开关电源应用越来越广泛，针对高频开关电源，通常使用的开关管是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，简称MOS管，其开关动作速度快，开关损耗低的特点使其可以广泛应用在高频开关电源中。

MOS管的开关损耗是由于在MOS管开通或关断过程中，电压和电流的变化不是瞬时的，而是需要一段时间，在这段时间内，MOS管的电流和电压有一个交叠区，从而产生损耗。现有的MOS管的开关损耗的计算方式通常采用在实际电路中检测MOS管的参数(例如，漏源电流、漏源电压及时间等)，然后基于检测到的参数去计算MOS管的开关损耗。但是，这种方式依赖于已经存在的电路，在电路设计阶段是无法预先计算MOS管的开关损耗的。这就导致设计出的电路中，MOS管的开关损耗不能满足实际应用的情况，导致需要反复重新设计，提高了生产成本。

发明内容

本发明提供一种MOS管开关损耗计算方法、装置、设备及存储介质，能够在电路设计阶段预先计算MOS管的开关损耗，降低生产成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种MOS管开关损耗计算方法，包括：

构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，所述第一函数和所述第二函数关联MOS管的关键参数；

基于所述第一函数和所述第二函数构建损耗模型；

基于测试数据构建关键参数的拟合函数；

将已知参数和所述拟合函数输入所述损耗模型中进行处理，得到开关损耗。

第二方面，本发明实施例还提供了一种MOS管开关损耗计算装置，包括：

函数构建模块，用于构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，所述第一函数和所述第二函数关联MOS管的关键参数；

模型构建模块，用于基于所述第一函数和所述第二函数构建损耗模型；

拟合函数构建模块，用于基于测试数据构建关键参数的拟合函数；

开关损耗计算模块，用于将已知参数和所述拟合函数输入所述损耗模型中进行处理，得到开关损耗。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明第一方面提供的MOS管开关损耗计算方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面提供的MOS管开关损耗计算方法。

本发明实施例提供的MOS管开关损耗的计算方法，通过构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，第一函数和第二函数关联MOS管的关键参数，基于第一函数和第二函数构建损耗模型，基于测试数据构建关键参数的拟合函数，将已知参数和拟合函数输入损耗模型中进行处理，得到开关损耗。通过构建损耗模型，在电路设计阶段，通过已知参数就能预先计算出MOS管的开关损耗，无需依赖对实际电路的检测，为电路设计提供指导方向，避免设计出的电路中，MOS管的开关损耗不能满足实际应用，导致反复修改的问题，降低了生产成本。

附图说明

图1为一种MOS管开关电路的结构示意图；

图2为MOS管开通过程中电流和电压的波形图；

图3为MOS管关断过程中电流和电压的波形图；

图4为本发明实施例一提供的一种MOS管开关损耗计算方法的流程图；

图5为输出结电容Coss随漏源电压Vds变化的曲线；

图6为输出结电容的电荷量Qoss与漏源电压Vds的关系曲线；

图7为栅漏结电容Cgd的电荷量Qgd随漏源电压Vds电压变化的曲线；

图8为漏源电压从Vds1放电至Vfd所需的电荷量与漏源电压Vds的关系曲线；

图9为电容Cgs与漏源电压Vds的关系曲线；

图10为Vgs(Ids)的拟合曲线；

图11为Vgs-Vth/Ids的拟合曲线；

图12为Qgs1(Ids)的拟合曲线；

图13为50度下测试并拟合的Vml(Ids)曲线；

图14为80度下测试并拟合的Vml(Ids)曲线；

图15为100度下测试并拟合的Vml(Ids)曲线；

图16为120度下测试并拟合的Vml(Ids)曲线；

图17为温度系数曲线；

图18为50度下测试并拟合的Qgs1(Ids)曲线；

图19为80度下测试并拟合的Qgs1(Ids)曲线；

图20为100度下测试并拟合的Qgs1(Ids)曲线；

图21为120度下测试并拟合的Qgs1(Ids)曲线；

图22为温度系数曲线；

图23为本发明实施例提供的一种反激拓扑MOS管的开通模型示意图；

图24为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管开通过程中的电压电流波形图；

图25为本发明实施例提供的一种反激拓扑MOS管的关断模型示意图；

图26为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管关断过程中的一种电压电流波形图；

图27为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管关断过程中的另一种电压电流波形图；

图28为Eoss/Vds的关系曲线；

图29为本发明实施例提供的一种MOS管开关损耗的计算装置的结构示意图；

图30为本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为一种MOS管开关电路的结构示意图，图2为MOS管开通过程中电流和电压的波形图，图3为MOS管关断过程中电流和电压的波形图，如图1和图2所示，在MOS管开通过程中，在t12时间里，驱动电压通过电阻Rgate给栅源电容Cgs充电，栅源电压Vgs以指数形式上升至开启门限电压Vth。在t23时间里，MOS管进入放大区，沟道电流Ids上升，直到达到负载电流。在t35时间里，漏源电流Ids维持不变，漏源电压Vds开始下降，在t4时刻下降至Vfd，之后，因输出节电容Coss突变增大，漏源电压Vds下降开始缓慢，此期间，栅源电容Cgs不再消耗电荷，栅源电压Vgs维持在Vmp不变。在t5时刻之后，漏源电压Vds已经下降至0，驱动电压继续给栅源电容Cgs充电，栅源极与漏源极独立运行，栅源电压Vgs以指数形式上升至驱动电压。漏源电流Ids与漏源电压Vds在t25时间段内存在交越，MOS管的开通损耗的表达式为：

其中，fs为MOS管的开关频率。

如图1和图3所示，在MOS管关断过程中，t01时间里，栅源电容Cgs通过电阻Rgate放电，栅源电压Vgs缓慢下降至Vmp值。在t12时间里，MOS管工作在饱和区，漏源电压Vds缓慢上升至输出结电容Coss的突变电压Vfd，约为30V左右。t23时间里，MOS管工作在放大区，漏源电流Ids维持不变，漏源电压Vds开始较大幅度上升，在t13期间，Cgs不再放电，栅源电压Vgs维持在Vmp不变。在t34时间里，漏源电压Vds已经上升最大电压Vo，此时MOS管工作在线性区，栅源电容Cgs继续通过Rgate放电，栅源电压Vgs电压由Vmp降至Vth，Ids由最大值降至0。漏源电压Vds与漏源电流Ids在t14时间段内存在交越，关断损耗的表达式为：

MOS管的开关损耗为开通损耗和关断损耗的总和。由以上计算过程可知，上述计算方式需要在已经存在实际电路的情况下，对实际电路进行检测，检测出漏源电压、漏源电流在各个时间段的变化，以及各个时间段的时长。然而，这在电路设计阶段是无法实现的。

实施例一

针对上述问题，本发明实施例提供了一种MOS管开关损耗计算方法，通过构建损耗模型和关键参数的拟合函数，在已知的MOS管的部分参数的情况下，能够在设计阶段预先计算MOS管的开关损耗。图4为本发明实施例一提供的一种MOS管开关损耗计算方法的流程图，本实施例可适用于在电路设计阶段预先计算MOS管的开关损耗，该方法可以由本发明实施例提供的一种MOS管开关损耗计算装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，通常配置于计算机设备中，如图4所示，该方法具体包括如下步骤：

S101、构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，第一函数和第二函数关联MOS管的关键参数。

在本发明实施例中，漏源电流也称之为沟道电流Ids，漏源电流关于时间的第一函数Ids(t)即漏源电流随时间的变化关系，漏源电压关于时间的第二函数Vds(t)即漏源电压随时间的变化关系。在本发明实施例中，由于时间是未知量，因此，只能通过MOS管的关键参数来间接表示第一函数和第二函数。关键参数包括MOS管的米勒电压、输出结电容的电荷量、栅漏结电容的电荷量、栅源结电容的电荷量。这些关键参数在MOS管开断过程中是变化的参数，因此，后续需要通过大量的测试数据去构建关键参数的拟合函数。

S102、基于第一函数和第二函数构建损耗模型。

如前文所述，MOS管的开关损耗是由于漏源电流和漏源电压的交越产生的，那么，计算MOS管的开关损耗，实质上就是计算漏源电流和漏源电压的乘积关于时间的积分，也即计算第一函数和第二函数的乘积关于时间的积分，损耗模型表示为：

其中，T为MOS管的开关周期。

S103、基于测试数据构建关键参数的拟合函数。

在本发明实施例中，通过对大量已有的开关电路进行检测，得到测试数据，然后，基于测试数据构建关键参数的拟合函数。

关键参数的拟合函数包括：米勒电压关于漏源电流和温度的第一拟合函数、输出结电容的电荷量关于漏源电压的第二拟合函数、栅漏结电容的电荷量关于漏源电压的第三拟合函数、栅源结电容的电荷量关于漏源电流的第四拟合函数。具体的，从大量测试数据中，找到关键参数与对应的变量的大量数据对，基于关键参数与对应的变量的大量数据对，拟合出关键参数与对应的变量直接的拟合函数。

S104、将已知参数和拟合函数输入损耗模型中进行处理，得到开关损耗。

在本发明实施例中，将已知参数和拟合函数输入损耗模型中进行处理，得到开关损耗。具体的，已知参数为在电路设计阶段已经知晓的参数，例如，MOS管的开关频率、驱动电压、驱动电阻的阻值、MOS管的开通电压等。将已知参数代入关键参数的拟合函数，就能确定关键参数，接着就能确定第一函数和第二函数，以及漏源电流和漏源电压各阶段的时间，进而可以计算第一函数和第二函数的乘积关于时间的积分，得到MOS管的开关损耗。

本发明实施例提供的MOS管开关损耗的计算方法，通过构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，第一函数和第二函数关联MOS管的关键参数，基于第一函数和第二函数构建损耗模型，基于测试数据构建关键参数的拟合函数，将已知参数和拟合函数输入损耗模型中进行处理，得到开关损耗。通过构建损耗模型，在电路设计阶段，通过已知参数就能预先计算出MOS管的开关损耗，无需依赖对实际电路的检测，为电路设计提供指导方向，避免设计出的电路中，MOS管的开关损耗不能满足实际应用，导致反复修改的问题，降低了生产成本。

实施例二

为了使本领域技术人员能够更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体示例，对本发明的技术方案进行说明。

本发明实施例以反激拓扑为例，已知反激电路的参数如下：

反激电路的输入功率：P

已知驱动电路的参数如下：

MOS外接驱动电阻：R

已知MOS管的基本参数如下：

测试读取MOS工作温度下开通阈值电压：V

根据上述分析可知，系统中存在多种变量，单纯的理论模型计算是无法得到最终的损耗的，因此需要通过测试加函数拟合的方法，对关键参数进行函数拟合，从而计算得出最终的损耗。本文以某具体MOS管为例，对需要拟合的关键参数进行说明：

(1)Qoss(Vds)曲线：输出结电容Coss的电荷量Qoss，该变量随漏源电压Vds变化。

由于MOSFET的输出结电容Coss是一个随漏源电压Vds变化的变量，因此无法直接计算出其引起的损耗，通过测试可以得到输出结电容Coss随漏源电压Vds变化的曲线如图5所示。

根据图5所示的曲线，对输出结电容Coss进行积分，可以得到Qoss：

上式中的Qoss对应的就是图5中Vds和Coss包围的面积，实际计算为了得到Qoss/Vds曲线，将Vds进行n等分，使用增幅间隔的方式，例如0.1V，0.2V，0.3V...，在每一份ΔVds(n)电压下可以得到对应的Coss(n)电容值，那么第n份Vds的变化量计算如下：

ΔV

增加的电荷量为：

这样Vds(n+1)对应的电荷量为：

Q

这样把每一份增加的电荷量ΔQoss(n)不断叠加到Qoss(n)上就可以得到输出结电容的电荷量Qoss与漏源电压Vds的关系曲线如图6所示。

经过拟合，可以得到Qoss关于Vds的函数，其中，转折点之前的第一部分曲线为Vds≦30V时的拟合曲线，转折点之后的第二部分曲线为Vds>30V时的拟合曲线。在实际应用中，一般Vds电压都会大于30V，因此需要使用到的Q

Q

-9.4709·10

(2)Qgd(Vds)曲线：栅漏结电容Cgd的电荷量Qgd随Vds电压变化的曲线。

由前文可知，栅漏极结电容Cgd为随Vds变化的函数，因此Cgd电容上的电荷量也是随Vds变化的函数。通过测量我们可以轻易得到Cgd(Vds)曲线，对Cgd进行积分，可以得到Qgd：

实际测试对比发现，由于设备有限，我们在测量Cgd(Vds)曲线时，由于Cgd在Vds>30V时已降至几皮法，设备已无法测量准确，导致测试误差较大。目前本文采用点测的方法，通过读取不同电压下Qgd的值，直接得到Qgd(Vds)曲线。得到的Qgd(Vds)曲线如图7所示。

MOS管关断时，我们只需要漏源电压从电压Vfd充电至电压Vds1所需电荷量；关断时，只需要漏源电压从Vds1放电至Vfd所需的电荷量。该电荷量同样与Vds相关，定义该电荷量为Qgd1。因此我们需要得到Qgd1(Vds)的曲线，即(Qgd(Vds)-Qgd(Vfd))/Vds曲线。该曲线如图8所示。通过拟合可以得到Qgd1(Vds)的拟合公式为：

Q

(3)Vml(Ids)曲线：米勒电压Vml随沟道电流Ids变化的曲线(注意Vth随温度变化而变化，因此需要在100℃温度下测试)。

栅源电压Vgs为随沟道电流Ids变化的函数。实际上，我们无法直接通过测量得到Vml/Ids曲线，但是可以通过计算得到这些曲线。

实际上，我们可以直接测量Cgs(Vds)的拟合曲线，其曲线如图9所示。可以看到，Cgs基本不随Vds变化而变化，那么我们可以认为，Cgs为一恒定值，将如下得到的Cgs取平均即可。

此外，我们可以直接测量Vgs(Ids)的拟合曲线(注意，测量时需在MOSFET在100℃下测试)，如图10所示。

从图10中的曲线我们可以轻易地得到Vth值，即Ids电流开始大于0A时的Vgs值即为Vth。此处，可以得到Vth＝3V。根据这些信息，我们可以得到米勒电压Vml(Ids)的拟合曲线，即Vgs-Vth/Ids的拟合曲线，如图11所示。

值得注意的是，拟合此参数，使用的数据是沟道电流为0.5A～7A范围内的数据，这是考虑到我们的应用基本在这个范围内，为了保证拟合的准确性，我们仅使用此部分的数据进行拟合。此曲线应该使用幂函数的形式拟合，得到的Vml(Ids)的拟合函数为：

(V

(4)Qgs(Ids)曲线：栅源结电容Cgs的电荷量Qgs随沟道电流Ids变化的曲线。

图9已经说明，栅源结电容Cgs为恒定值，不随Vds变化而变化，而Qgs1为当栅源电压Vgs由Vth上升至Vml过程中栅源结电容Cgs所需要的电荷量，此曲线随Ids变化而变化，Qgs1可由如下计算式得：

Q

根据上式，可以得到Qgs1(Ids)的拟合曲线如图12所示，同样地，拟合的函数使用沟道电流为0.5A～7A的范围，曲线使用幂函数拟合，得到拟合函数为：

Q

此外，值得注意的是，Vml(Ids)和Qgs1(Ids)都是随温度变化的函数，若MOS管工作在不同的温度条件，或者MOS管因为自身发热，导致自身的温度变化时，需要将温度作为变量，引入到实际计算中。因此本发明引入Vml(Ids)和Qgs1(Ids)的温度系数计算方法。具体方法如下：

图13-图16给出了不同温度下(分别为50度、80度、100度、120度)测试并拟合的Vml(Ids)曲线，根据拟合曲线，我们可以得到4个温度下任意电流Ids下的Vml值，如下表所示。

以50度为基准，将其他温度下每个电流下的Vml电压分别除以50度下的Vml电压，最后将每个温度下的系数作平均处理，到下表所示的数据。

最后以Tc为横坐标，AVG为纵坐标拟合曲线，就可以得到温度系数曲线，如图17所示，其温度系数的拟合函数为：

K

通过上述分析，50度下，MOS管的Vml(Ids)曲线函数为：

V

引入温度系数后，MOS管的Vml(Ids)关系式为：

Temp为设定MOS管的工作温度。通过上述的计算方法，我们就可以获得MOS管在不同温度下，Vml与Ids的关系曲线及计算具体数值。

同理，我们可以使用同样的方法获得Qgs1和Ids在不同温度下的曲线，从而获得它的温度系数。

图18-图21给出了不同温度下(分别为50度、80度、100度、120度)测试并拟合的Qgs1(Ids)曲线，根据拟合曲线，我们可以得到4个温度下任意电流Ids下的Qgs1值，如下表所示。

以50度为基准，将其他温度下每个电流下的Qgs1分别除以50度下的Qgs1，然后将每个温度下的系数作平均处理，得到下表所示的数据。

最后以Tc为横坐标，AVG为纵坐标拟合曲线，就可以得到温度系数曲线，如图22所示，其温度系数拟合的函数为：

K

通过上述分析，50度下，MOS管的Qgs1(Ids)曲线函数为：

引入温度系数后，MOS管的Vml(Ids)关系式为：

上式中，Temp为设定MOS管的工作温度。通过上述的计算方法，我们就可以获得MOS管在不同温度下，Qgs1与Ids的关系曲线及计算具体数值。

MOS管的开关损耗包括开通损耗、关断损耗和MOS管的输出结电容和外并电容引起的容性损耗。下面分别对开通损耗、关断损耗和MOS管的输出结电容和外并电容引起的容性损耗的计算过程进行描述。

图23为本发明实施例提供的一种反激拓扑MOS管的开通模型示意图，图24为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管开通过程中的电压电流波形图，如图23和图24所示，在T01时间段内，驱动电流Igate(或驱动电压VCC)通过驱动电阻Rg给MOS管的栅源极结电容Cgs充电，栅源电压Vgs指数上升，T1时刻，栅源Vgs达到开通阈值电压Vth。在整个T01时间段里，漏源电压Vds与漏源电流Ids均保持不变，且漏源电流Ids为0，即在整个T01时间段里，开通损耗为0。

在T12时间段内，驱动电流Igate继续通过外接电阻Rg给栅源极结电容Cgs充电，MOS管的沟道开始导通，漏源电流Ids开始上升，电流Idiode下降，Im维持不变。由于漏源电流Ids发生变化，漏感Lr上的电压升高。MOS管的漏源电压Vds开始下降，电流Igate开始分流，一部分给栅源极结电容Cgs充电，一部分给栅漏极结电容Cgd充电。在T2时刻，漏源电压Vds下降至突变电压Vfd，漏源电流上升至Ids1，MOS管的栅源电压Vgs上升至米勒电压Vml。因漏感Lr的存在，漏源电压Vds与漏源电流Ids同时变化，即只要产生漏源电流的变化，则一定会产生漏源电压的变化。

对MOS管的栅极点G，列出电流平衡方程：

即流过G点的电流等于流过Rg的电流。Rg的电流等于Rg两端的电压除以其电阻。Rg两端的电压等于

对MOS管的栅极点G，列出电荷平衡方程：

即经过G点的电荷量等于Cgd的电荷变化量加上Cgs的电荷变化量。

漏感Lr上的电压与电流的方程如下：

其中，Id为漏感电流，

对节点D(即MOS管的漏极)建立电荷平衡方程：

I

即流过MOS的沟道电流Ids在T12时间内从0上升到Ids1，因此流过沟道的电荷增量为I

上述栅极G点的电流平衡方程、栅极G点的电荷平衡方程、漏极D点的电荷平衡方程和漏感电压方程组成的方程组中，存在4个未知量，分别是栅极电流Igd+Igs、T2时刻的沟道电流Ids1、漏感Id和第一阶段的时长T12。

根据上述已知参数和关键参数的拟合函数，可以求出上述4个未知量。

所有未知量已求得后，实际上，为计算方便，在计算开通损耗时，此处不使用MOS的沟道电流，而是使用漏感电流，由输出结电容Coss和MOS外并电容Cds1引起的损耗将在后续实施例中中单独计算。

将T12时间内的Vds(t)和Ids(t)波形线性化可得如下表达式：

则T12时间内MOS管的开通损耗为：

在T23时间段内，漏源电压Vds电压由Vfd减至0，沟道电流Ids继续上升，直至达到最大电流，由于dv/dt非常小，Ids变化也非常小，栅源电压Vgs近似维持在Vml不变。

建立栅漏结电容的电流方程：

即在T23时间内，Vgs基本不再变化，因此Igs不再变化，因此流过驱动电阻Rgon的电流只会流到Cgd中。

建立栅漏结电容的电荷平衡方程：

I

即在T23时间内，Cgd结电容的电荷量会持续降低，直至降到0时，Cgd的电荷量的变化量即为Q

上述栅漏结电容的电流方程和栅漏结电容的电荷平衡方程中存在2个未知量，分别是T23和Igd。

根据上述已知参数和关键参数的拟合函数，可以求出上述2个未知量。

将T23时间内的Vds(t)和Ids(t)波形线性化可得如下表达式：(同样地，此处电流表达式不使用MOS的沟道电流，而是使用漏感电流，由输出结电容Coss和MOS外并电容Cds1引起的损耗将在后续实施例中单独计算)。

则T23时间内MOS管的开通损耗为：

则总开通损耗为：

图25为本发明实施例提供的一种反激拓扑MOS管的关断模型示意图，图26为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管关断过程中的一种电压电流波形图，如图25和图26所示，在T01时间内：MOS管栅源极结电容Cgs通过驱动电阻Rg放电，放电电流为Igs，栅源电压Vgs指数下降，在T1时刻，Vgs达到米勒电压Vml。在整个T01时间段里，Vds与Ids均保持不变。Vds为0，即在整个T01时间段里，关断损耗为0。

在T12时间内，MOS管栅源极结电容Cgs停止向驱动电阻Rg放电，放电电流Igate全部用来维持Cgs放电，MOS管沟道开始关闭，Vds开始上升，因低压状态下，MOS管漏源极结电容Cds非常大，Vds变化不明显，可近似认为沟道电流Ids维持不变，在T2时刻，电压Vds上升至Vfd，MOS管栅源电压Vgs近似维持米勒电压Vml不变。

建立栅漏结电容的电流方程：

即，在T12时间内，Vgs电压恒定为Vml电压不变，因此没有电流流过Cgs，驱动电流会都流经Cgd。

建立栅漏结电容的电荷平衡方程：

I

即，在T12时间内，根据电荷守恒定律，Cgd的电荷量会从0增加到Qgd(Vfd)。

上述栅漏结电容的电流方程和栅漏结电容的电荷平衡方程中存在2个未知量，分别是Igd、T12。

根据上述已知参数和关键参数的拟合函数，可以求出上述2个未知量。

根据如下已知参数：

R

Q

以及关键参数的拟合函数：

V

可以解出2个未知量在CCM模式和DCM模式下的数值：

将T12时间内的Vds(t)和Ids(t)波形线性化可得如下表达式：

式中，Ioff为关断时的电流值。

最后可以得到T12时间是CCM模式和DCM模式下产生的损耗分别为：

在T23时间内，因结电容Coss突变减小，dVds/dt迅速增大，Vds快速上升，此时电流Ioff开始往各电容上分流，电容上电流大小为C*dv/dt，MOS管沟道电流Ids开始减小，造成Vgs也开始减小，Cgs通过Rg放电。Vgs下降至Vml1。该状态可以分为两种情况来讨论。

情况1：如图26所示，Vds上升至Vp之前，Ids已经降为0，此情况下T34时间段没有关断损耗，T34开始前，MOS管沟道已经关闭，即Vgs已经降至Vth，所有电流全部给各电容充电。MOS管处于线性区，为典型压控电流源，

建立栅极的电流平衡方程：

即，在T23时间内，流过栅极G点的电流等于流过Rgoff的电流。Rgoff的电流等于Rgoff两端的电压除以其电阻。Rgoff两端的电压等于Vml(Ids)，与开通不同的是，此时VCC已经不再驱动，因此Rgoff两端的电压即为Vml(Ids)。

建立栅极的电荷平衡方程：

(I

即，在T23时间内，根据电荷守恒，经过G点的电荷量等于Cgd的电荷变化量加上Cgs的电荷变化量。

建立漏极的电荷平衡方程：

I

即，流过MOS管的沟道电流Ids在T23时间内从Ioff下降到0，MOS管漏源电压从Vfd上升到Vin1。因此流过沟道的电荷增量为I

需注意的是，关断和开通的时候电流的区别是，开通时，由沟道电流流向漏感、结电容Coss和外并结电容；关断时，由漏感电流流向于沟道、结电容Coss和外并电容Cds1以及副边等效到原边的等效电容Ceq。

上述栅极的电流平衡方程、栅极的电荷平衡方程和漏极的电荷平衡方程组成的方程组中存在3个未知量，分别是Igate、Vin1、T23_1。

已知参数如下：

R

V

再结合前述关键参数的拟合函数，可以求出上述3个未知量，此3个未知量可分别求得CCM模式下和DCM模式下的解如下：

所有未知量已求得后，将T23_1时间内的Vds(t)和Ids(t)波形线性化可得如下表达式：

则情况1中T23时间内的损耗在CCM模式和DCM模式分别为：

因此，针对情况1可以得到CCM模式和DCM模式的总关断损耗分别为：

情况2：图27为本发明实施例提供的反激拓扑MOS管关断过程中的另一种电压电流波形图，因结电容Coss突变减小，dVds/dt迅速增大，Vds快速上升，此时电流Ioff开始往各电容上分流，电容上电流大小为C*dv/dt，MOS管沟道电流Ids开始减小，造成Vgs也开始减小，Cgs通过Rg放电。Vgs下降至Vmp1。当Vds上升至Vp后，Ids还未降至0，此情况下，由于漏感Lr的作用，Vds继续上升。沟道电流Ids继续下降，Vgs由Vmp1开始下降至Vth，但由于漏感与Cds、Cgd等电容谐振，会极大程度延缓Ids的下降。此部分在该状态分为2个时间段，即T23时间段以及T34时间段。

在T23时间内，MOSFET处于线性区，为典型压控电流源。电压Vds已经上升到Vin+nVo(也即Vp)，但是沟道电流还未降到0，因此还需求取T23时刻的沟道电流，建立栅极电流方程如下：

栅极电荷平衡方程如下：

(I

即，在T23时间内，流过MOS管的沟道电流Ids在从Ioff下降到Imos，MOS漏源电压从Vfd上升到Vp(也即V

漏极的电荷平衡方程如下：

(I

即，流过MOS管的沟道电流Ids在T23时间内从Ioff下降到Imos，MOS漏源电压从Vfd上升到Vp。因此流过沟道的电荷增量为(I

上述栅极的电流平衡方程、栅极的电荷平衡方程和漏极的电荷平衡方程组成的方程组中存在3个未知量，分别是Igate、Imos、T23_2。

已知参数如下：

R

C

再结合前述关键参数的拟合函数，可以求出上述3个未知量，此3个未知量可分别求得CCM模式下和DCM模式下的解如下：

可以看到本实例求出来的的Imos均为负数，T23时间无实数解，因此可以说明，本MOS管参数在此应用条件下不会出现情况2的关断电流，因此最终核算损耗的时候需要使用情况1的计算方法。

若计算得到的Imos为正数，且小于Ioff值，那么将Ids(t)和Vds(t)进行线性化可得如下等式。

情况2中T23时间内的损耗在CCM模式和DCM模式分别为：

针对情况2，还会在T34时间内产生损耗，当Vds上升至Vp后，Ids还未降至0，由于漏感Lr的作用，Vds继续上升。沟道电流Ids继续下降，Vgs由Vmp1开始下降至Vth，但由于漏感与Cds、Cgd等电容谐振，会极大程度延缓Ids的下降。为简化计算，我们将漏感与Cds、Cgd等电容谐振的1/4周期视为T34的时间，因此有：

谐振频率为：

由于Coss(Vds)是一个变量，在关断阶段的T34时间段，Vds>Vin+nVo>200V，200V后的Coss变化量不会太大，为简化计算，此处我们定义Vds电压为300V时结电容值用于计算谐振频率和T34时间。因此有如下已知条件：

C

计算得出结果如下：

将T34时间内的Ids(t)和Vds(t)进行线性化可得如下等式：

情况2中T34时间内的损耗在CCM模式和DCM模式分别为：

因此，针对情况2可以得到CCM模式和DCM模式的总关断损耗分别为：

至此，MOS关断损耗已全部计算完毕，由于在T23时间内存在两种情况，因此可以根据计算值Imos为正数还是负数来判断MOS在该条件下是工作在情况1还是情况2。

在前文中我们提到，在MOS管开通和关断的时候，输出结电容Coss和MOS管外并电容Cds1都会产生损耗，为了便于理解和计算，此部分的损耗单独拿出计算。

输出结电容Coss产生的损耗可以使用Eoss的曲线，Eoss计算公式如下：

其中，

可知，要得到Eoss损耗，需要将Qoss进行n等分，每一份电荷增量为ΔQoss，第n份电荷增量为ΔQoss(n)，其计算公式如下：

ΔQ

那么增加的能量计算式如下：

同样地，将每一份增加的能量ΔEoss(n)不断叠加到Eoss(n)上就可以得到Eoss/Vds的曲线如图28所示。

从图28中可以知道，在Vds≈30V时有一个拐点，为了拟合更加准确，将Eoss/Vds从拐点处分段拟合，(拐点一般情况取Vds＝30V)。

其中，拐点之前的曲线部分为Vds≦30V时的拟合曲线，拐点之后的曲线部分为Vds>30V时的拟合曲线。在实际应用中，一般我们为Vds电压都会大于30V，因此需要使用到的拟合曲线公式为：

E

因此，可以得到由输出结电容Coss结电容产生的总损耗为：

P

CCM模式下和DCM模式下的已知条件分别如下：

分别计算CCM模式下和DCM模式下的输出结电容Coss结电容损耗为：

外并电容Cds1引起的损耗可以直接使用以下公式得到：

分别计算CCM模式下和DCM模式下的外并结电容Cds1的损耗为：

本发明实施例提供的MOS管开关损耗计算方法，通过构建损耗模型，在电路设计阶段，通过已知参数就能预先计算出MOS管的开关损耗，无需依赖对实际电路的检测，为电路设计提供指导方向，避免设计出的电路中，MOS管的开关损耗不能满足实际应用，导致反复修改的问题，降低了生产成本。此外，不仅考虑MOS管的电特性，还考虑了MOS管的温度特性，引入了温度系数的概念，因此，在实际工作中，MOS管的损耗是受温度影响的，因此在实际计算中把温度也考虑进去，可以获得更为精确有效的损耗。此外，将感性负载引起的损耗和容性负载引起的损耗分别进行计算，提高了开关损耗的计算精度。采用本发明的MOS管开关损耗计算方法，可以对MOS管进行建库的动作，即对于同个MOS管，它的电特性和温度特性参数是相对固定的，使用本发明的拟合方法，可以对这些参数进行数据化，进而进行参数化建模。最后不断覆盖成为一个数字系统，对后续的衍生及分析，可以直接调用该数据，以提高计算效率。

实施例三

图29为本发明实施例提供的一种MOS管开关损耗的计算装置的结构示意图，如图29所示，该装置包括：

函数构建模块301，用于构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，所述第一函数和所述第二函数关联MOS管的关键参数；

模型构建模块302，用于基于所述第一函数和所述第二函数构建损耗模型；

拟合函数构建模块303，用于基于测试数据构建关键参数的拟合函数；

开关损耗计算模块304，用于将已知参数和所述拟合函数输入所述损耗模型中进行处理，得到开关损耗。

在本发明的一些实施例中，所述开关损耗包括开通损耗和关断损耗；

所述开通损耗包括第一阶段的第一开通损耗和第二阶段的第二开通损耗，栅源电压在所述第一阶段由阈值电压上升至米勒电压，漏源电压在所述第二阶段由突变电压下降至零；

所述关断损耗包括第三阶段的第一关断损耗和第四阶段的第二关断损耗，所述漏源电压在所述第三阶段由零上升至所述突变电压，所述栅源电压在所述第四阶段由所述米勒电压下降至所述阈值电压；

所述关键参数的拟合函数包括：米勒电压关于漏源电流和温度的第一拟合函数、输出结电容的电荷量关于漏源电压的第二拟合函数、栅漏结电容的电荷量关于漏源电压的第三拟合函数、栅源结电容的电荷量关于漏源电流的第四拟合函数。

在本发明的一些实施例中，开关损耗计算模块304包括第一计算子模块，用于计算第一开通损耗，所述第一开通损耗的计算过程为：

构建由栅极的电流平衡方程、栅极的电荷平衡方程、漏极的电荷平衡方程和漏感电压方程组成的方程组；

基于所述MOS管的已知参数、所述关键参数的拟合函数和所述方程组计算出所述第一阶段的时长和所述漏感电流；

将所述第一阶段的时长和所述漏感电流代入所述损耗模型中进行处理，得到第一开通损耗。

在本发明的一些实施例中，开关损耗计算模块304包括第二计算子模块，用于计算第二开通损耗，所述第二开通损耗的计算过程为：

构建由栅漏结电容的电荷平衡方程和栅漏结电容的电流方程组成的方程组；

基于所述MOS管的已知参数、所述关键参数的拟合函数和所述方程组计算出所述第二阶段的时长和所述漏感电流；

将所述第二阶段的时长和所述漏感电流代入所述损耗模型中进行处理，得到第二开通损耗。

在本发明的一些实施例中，开关损耗计算模块304包括第三计算子模块，用于计算第一关断损耗，所述第一关断损耗的计算过程为：

构建由栅漏结电容的电荷平衡方程和栅漏结电容的电流方程组成的方程组；

基于所述MOS管的已知参数、所述关键参数的拟合函数和所述方程组计算出所述第三阶段的时长和所述漏感电流；

将所述第三阶段的时长和所述漏感电流代入所述损耗模型中进行处理，得到第一关断损耗。

在本发明的一些实施例中，开关损耗计算模块304包括第四计算子模块，用于计算第二关断损耗，所述第二关断损耗的计算过程为：

构建由栅极的电流平衡方程、栅极的电荷平衡方程和漏极的电荷平衡方程组成的方程组；

基于所述MOS管的已知参数、所述关键参数的拟合函数和所述方程组计算出所述第四阶段的时长、所述栅极电流和漏源电压；

将所述第四阶段的时长、所述栅极电流和漏源电压代入所述损耗模型中进行处理，得到第二关断损耗。

在本发明的一些实施例中，所述开关损耗还包括MOS管的输出结电容和外并电容引起的容性损耗。

在本发明的一些实施例中，开关损耗计算模块304包括第五计算子模块，用于计算容性损耗，所述容性损耗的计算过程为：

基于输出结电容存储的能量和MOS管的开关频率计算输出结电容引起的损耗；

基于外并电容和MOS管的开关频率计算外并电容引起的损耗；

计算输出结电容引起的损耗和外并电容引起的损耗之和作为容性损耗。

上述MOS管开关损耗计算装置可执行本发明任意实施例所提供的MOS管开关损耗计算方法，具备执行MOS管开关损耗计算方法相应的功能模块和有益效果。

实施例四

本发明实施例四提供了一种计算机设备，图30为本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图，如图30所示，该计算机设备包括：

处理器401、存储器402、通信模块403、输入装置404和输出装置405；移动终端中处理器401的数量可以是一个或多个，图30中以一个处理器401为例；移动终端中的处理器401、存储器402、通信模块403、输入装置404和输出装置405可以通过总线或其他方式连接，图30中以通过总线连接为例。上述处理器401、存储器402、通信模块403、输入装置404和输出装置405可以集成在计算机设备上。

存储器402作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如上述实施例中的MOS管开关损耗计算方法对应的模块。处理器401通过运行存储在存储器402中的软件程序、指令以及模块，从而执行计算机设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的MOS管开关损耗计算方法。

存储器402可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据微型计算机的使用所创建的数据等。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器402可进一步包括相对于处理器401远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

通信模块403，用于与外界设备(例如智能终端)建立连接，并实现与外界设备的数据交互。输入装置404可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与计算机设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。

本实施例提供的一种计算机设备，可执行本发明上述任意实施例提供的MOS管开关损耗计算方法，具有相应的功能和有益效果。

实施例五

本发明实施例五提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明上述任意实施例提供的MOS管开关损耗计算方法，该方法包括：

构建漏源电流关于时间的第一函数和漏源电压关于时间的第二函数，所述第一函数和所述第二函数关联MOS管的关键参数；

基于所述第一函数和所述第二函数构建损耗模型；

基于测试数据构建关键参数的拟合函数；

将已知参数和所述拟合函数输入所述损耗模型中进行处理，得到开关损耗。

需要说明的是，对于装置、设备和存储介质实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是机器人，个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明任意实施例所述的MOS管开关损耗计算方法。

值得注意的是，上述装置中，所包括的各个模块、子模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。