MOSEFT分析：理解功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)通過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗為

開(kāi)通過(guò)程中，Crss和米勒平臺(tái)時(shí)間t3成正比，計(jì)算可以得出米勒平臺(tái)所占開(kāi)通損耗比例為84%，因此米勒電容Crss及所對(duì)應(yīng)的Qgd在MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗中起主導(dǎo)作用。Ciss=Crss+Cgs，Ciss所對(duì)應(yīng)電荷為Qg。對(duì)于兩個(gè)不同的MOSFET，兩個(gè)不同的開(kāi)關(guān)管，即使A管的Qg和Ciss小于B管的，但如果A管的Crss比B管的大得多時(shí)，A管的開(kāi)關(guān)損耗就有可能大于B管。因此在實(shí)際選取MOSFET時(shí)，需要優(yōu)先考慮米勒電容Crss的值。

減小驅(qū)動(dòng)電阻可以同時(shí)降低t3和t2，從而降低開(kāi)關(guān)損耗，但是過(guò)高的開(kāi)關(guān)速度會(huì)引起EMI的問(wèn)題。提高柵驅(qū)動(dòng)電壓也可以降低t3時(shí)間。降低米勒電壓，也就是降低閾值開(kāi)啟電壓，提高跨導(dǎo)，也可以降低t3時(shí)間從而降低開(kāi)關(guān)損耗。但過(guò)低的閾值開(kāi)啟會(huì)使MOSFET容易受到干擾誤導(dǎo)通，增大跨導(dǎo)將增加工藝復(fù)雜程度和成本。

2 關(guān)斷過(guò)程中MOSFET開(kāi)關(guān)損耗

關(guān)斷的過(guò)程如圖1所示，分析和上面的過(guò)程相同，需注意的就是此時(shí)要用PWM驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的下拉電阻0.5Ω和Rg串聯(lián)計(jì)算，同時(shí)電流要用最大電流即峰值電流6.727A來(lái)計(jì)算關(guān)斷的米勒平臺(tái)電壓及相關(guān)的時(shí)間值：VGP=2+6.727/19=2.354V。

關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗為：

Crss一定時(shí)，Ciss越大，除了對(duì)開(kāi)關(guān)損耗有一定的影響，還會(huì)影響開(kāi)通和關(guān)斷的延時(shí)時(shí)間，開(kāi)通延時(shí)為圖1中的t1和t2，圖2中的t8和t9。

圖2 斷續(xù)模式工作波形

Coss產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗與對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響

1 Coss產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗

通常，在MOSFET關(guān)斷的過(guò)程中，Coss充電，能量將儲(chǔ)存在其中。Coss同時(shí)也影響MOSFET關(guān)斷過(guò)程中的電壓的上升率dVDS/dt，Coss越大，dVDS/dt就越小，這樣引起的EMI就越小。反之，Coss越小，dVDS/dt就越大，就越容易產(chǎn)生EMI的問(wèn)題。

但是，在硬開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，Coss又不能太大，因?yàn)镃oss儲(chǔ)存的能量將在MOSFET開(kāi)通的過(guò)程中，放電釋放能量，將產(chǎn)生更多的功耗降低系統(tǒng)的整體效率，同時(shí)在開(kāi)通過(guò)程中，產(chǎn)生大的電流尖峰。

開(kāi)通過(guò)程中大的電流尖峰產(chǎn)生大的電流應(yīng)力，瞬態(tài)過(guò)程中有可能損壞MOSFET，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電流干擾，帶來(lái)EMI的問(wèn)題；另外，大的開(kāi)通電流尖峰也會(huì)給峰值電流模式的PWM控制器帶來(lái)電流檢測(cè)的問(wèn)題，需要更大的前沿消隱時(shí)間，防止電流誤檢測(cè)，從而降低了系統(tǒng)能夠工作的最小占空比值。

Coss產(chǎn)生的損耗為：

對(duì)于BUCK變換器，工作在連續(xù)模式時(shí)，開(kāi)通時(shí)MOSFET的電壓為輸入電源電壓。當(dāng)工作在斷續(xù)模式時(shí)，由于輸出電感以輸出電壓為中心振蕩，Coss電壓值為開(kāi)通瞬態(tài)時(shí)MOSFET的兩端電壓值，如圖2所示。

2 Coss對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響

圖1中VDS的電壓波形是基于理想狀態(tài)下，用工程簡(jiǎn)化方式來(lái)分析的。由于Coss存在，實(shí)際的開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流波形與圖1波形會(huì)有一些差異，如圖3所示。下面以關(guān)斷過(guò)程為例說(shuō)明。基于理想狀態(tài)下，以工程簡(jiǎn)化方式，認(rèn)為VDS在t7時(shí)間段內(nèi)線性地從最小值上升到輸入電壓，電流在t8時(shí)間段內(nèi)線性地從最大值下降到0。

圖3 MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)際波形