開關(guān)管MOSFET的損耗分析及其優(yōu)化方法

本文主要闡述了MOSFET在模塊電源中的應(yīng)用，分析了MOSFET損耗特點(diǎn)，提出了優(yōu)化方法;并且闡述了優(yōu)化方法與EMI之間的關(guān)系。

一、引言

MOSFET作為主要的開關(guān)功率器件之一，被大量應(yīng)用于模塊電源。了解MOSFET的損耗組成并對其分析，有利于優(yōu)化MOSFET損耗，提高模塊電源的功率;但是一味的減少M(fèi)OSFET的損耗及其他方面的損耗，反而會引起更嚴(yán)重的EMI問題，導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。所以需要在減少M(fèi)OSFET的損耗的同時需要兼顧模塊電源的EMI性能。

二、開關(guān)管MOSFET的損耗分析

MOSFET的損耗主要有以下部分組成：

1.通態(tài)損耗;2.導(dǎo)通損耗;3.關(guān)斷損耗;4.驅(qū)動損耗;5.吸收損耗;

隨著模塊電源的體積減小，需 要將開關(guān)頻率進(jìn)一步提高，進(jìn)而導(dǎo)致開通損耗和關(guān)斷損耗的增加，例如300kHz的驅(qū)動頻率下，開通損耗和關(guān)斷損耗的比例已經(jīng)是總損耗主要部分了。

MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷過程中都會產(chǎn)生損耗，在這兩個轉(zhuǎn)換過程中，漏極電壓與漏極電流、柵源電壓與電荷之間的關(guān)系如圖1和圖2所示，現(xiàn)以導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程為例進(jìn)行分析：

t0-t1區(qū)間：柵極電壓從0上升到門限電壓Uth，開關(guān)管為導(dǎo)通，無漏極電流通過這一區(qū)間不產(chǎn)生損耗;

t1-t2區(qū)間：柵極電壓達(dá)到Vth，漏極電流ID開始增加，到t2時刻達(dá)到最大值，但是漏源電壓保持截止時高電平不變，從圖1可以看出，此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大;

t2-t3區(qū)間：從t2時刻開始，漏源電壓VDS開始下降，引起密勒電容效應(yīng)，使得柵極電壓不能上升而出現(xiàn)平臺，t2-t3時刻電荷量等于Qgd，t3時刻開始漏極電壓下降到最小值;此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大

t3-t4區(qū)間：柵極電壓從平臺上升至最后的驅(qū)動電壓(模塊電源一般設(shè)定為12V)，上升的柵壓使導(dǎo)通電阻進(jìn)一步減少，MOSFET進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài);此時損耗轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通損耗。

關(guān)斷過程與導(dǎo)通過程相似，只不過是波形相反而已;關(guān)于MOSFET的導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗的分析過程，有很多文獻(xiàn)可以參考，這里直接引用《張興柱之MOSFET分析》的總結(jié)公式如下：

備注：為上升時間， 為開關(guān)頻率， 為下降時間，為柵極電荷，為柵極驅(qū)動電壓 為MOSFET體二極管損耗。

三、MOSFET的損耗優(yōu)化方法及其利弊關(guān)系

1. 通過降低模塊電源的驅(qū)動頻率減少M(fèi)OSFET的損耗[稍微提一下EMI問題及其解決方案]

從MOSFET的損耗分析可以看出，開關(guān)電源的驅(qū)動頻率越高，導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和驅(qū)動損耗會相應(yīng)增大，但是高頻化可以使得模塊電源的變壓器磁芯更小，模塊的體積變得更小，所以可以通過開關(guān)頻率去優(yōu)化開通損耗、關(guān)斷損耗和驅(qū)動損耗，但是高頻化卻會引起嚴(yán)重的EMI問題。

采用跳頻控制方法，在輕負(fù)載情況下，通過降低模塊電源的開關(guān)頻率來降低驅(qū)動損耗，從而進(jìn)一步提高輕負(fù)載條件下的效率，使得系統(tǒng)在待機(jī)工作下，更節(jié)能，進(jìn)一步提高蓄電池供電系統(tǒng)的工作時間，并且還能夠降低EMI的輻射問題;

2.通過降低、來減少M(fèi)OSFET的損耗

典型的小功率模塊電源(小于50W)大多采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激形式，典型的控制電路如圖3所示;從MOSFET的損耗分析還可以知道：與開 通損耗成正比、與關(guān)斷損耗成正比;所以可以通過減少 、來減少M(fèi)OSFET的損耗，通常情況下，可以減小MOSFET的驅(qū)動電阻Rg來減少、時間，但是此優(yōu)化方法卻帶來嚴(yán)重的EMI問題;以金升陽 URB2405YMD-6WR3產(chǎn)品為例來說明此項問題：

1)URB2405YMD-6WR3采用10Ω的MOSFET驅(qū)動電阻，裸機(jī)輻射測試結(jié)果如下：

2)URB2405YMD-6WR3采用0Ω的驅(qū)動電阻，裸機(jī)輻射測試結(jié)果如下：

從兩種不同的驅(qū)動電阻測試結(jié)果來看，雖然都能夠通過EN55022的輻射騷擾度的CLASS A等級，但是采用0歐姆的驅(qū)動電阻，在水平極化方向測試結(jié)果的余量是不足3dB的，該方案設(shè)計不能被通過。

3.通過降低吸收電路損耗來減少損耗

在模塊電源的設(shè)計過程中，變壓器的漏感總是存在的，采用反激拓?fù)涫浇Y(jié)構(gòu)，往往在MOSFET截止過程中，MOSFET的漏極往往存在著很大的電 壓尖峰，一般情況下，MOSFET的電壓設(shè)計余量是足夠承受的，為了提高整體的電源效率，一些電源廠家是沒有增加吸收電路

(吸收電路如圖3標(biāo)注①RCD吸 收電路和②RC吸收電路)來吸收尖峰電壓的。但是，不注意這些吸收電路的設(shè)計往往也是導(dǎo)致EMI設(shè)計不合格的主要原因。以金升陽URF2405P- 6WR3的吸收電路(采用如圖3中的②RC吸收電路)為例：

1)驅(qū)動電阻Rg為27Ω，無RC吸收電路，輻射騷擾度測試結(jié)果如下：

2)驅(qū)動電阻為27Ω;吸收電路為電阻R和C 5.1Ω 470pF，輻射騷擾度測試結(jié)果如下：

從兩種不同的吸收電路方案測試結(jié)果來看，不采用吸收電路的方案，是不能通過EN55022輻射騷擾度的CLASS A等級，而采用吸收電路，則可以解決輻射騷擾度實(shí)驗不通過的問題，通過不同的RC組合方式可進(jìn)一步降低輻射騷擾。

四、總結(jié)

MOSFET的功耗優(yōu)化工作實(shí)際上是一個系統(tǒng)工程，部分優(yōu)化方案甚至?xí)绊慐MI的特性變化。上述案例中，平衡了電源整體效率與EMI特性，從而進(jìn)一步優(yōu)化了電源參數(shù)。將電源參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，更能兼容客戶系統(tǒng)，并發(fā)揮真正的電子 系統(tǒng)“心臟”作用，源源不斷的輸送能量。

審核編輯：湯梓紅