很不幸,电流应力计算就没那么直观,实际上是比较复杂的。关注不同器件的电流应力时,通常是跟它的发热是相关的;电感饱和电流除外。所以,我们先看下为啥计算mos管导通损耗、电感温升电流等与电阻发热相关时用到是有效值电流,而计算二极管导通损耗时用到平均值电流。
电子做功的公式为,E=Q*V,即电子越过电势差时会做功(可能定义没那么准确哈哈)。功率的公式为p=de/dt,即每秒的能量。那么带电粒子功率的计算公式为p=V*I,其中I=dq/dt(电流的定义即每秒钟电荷量)。因此,瞬时功率为P(t)=V(t)*I(t),是时间的函数,随时间变化。如果是波形具有重复性,那么可以计算得到平均功率。而开关电源稳态时,平均值是保持不变的。
图1是平均功率定义,和当电压常数时简化后的平均功率计算公式,和当电阻为常数时简化后的平均功率计算公式。电阻固定时的平均功率计算公式,看出电流有效值的定义,即当周期波形施加在电阻上使其发热的功率,等于一个直流施加在电阻上使其发热的功率,那么这个直流就是周期电流的有效值。
图1
图2为任意拓扑开关管、二极管和电感电流有效值的计算公式,其中IL是电感电流的平均值IL,IL根据拓扑不同是不同的。图1会有二极管电流有效值,是因为在同步整流的变换器中,会用mos管替换为二极管,这时候计算它的损耗就要用电流有效值了。详细的mos管有效值电流公式推导过程见图4.
图2
这是任意拓扑时,电感开关管和二极管的电流平均值计算公式,同样,IL为电感平均电流,它跟拓扑有关系见图2。
图3
图4
最后,计算电容功耗,是用交流有效值来计算的,公式为I^2*R,R为电容寄生电阻。为什么是交流有效值呢,因为电容特性是隔直通交,即只有交流电流通过,直流电流是被旁路掉的。交流有效值的公式参见图5,公式是从数值上推导的。图6是不同波形不同位置的电容交流有效值计算公式。
图5
图6