一文讀懂MOSFET開關(guān)損耗介紹

MOSFET的操作可以分為兩種基本模式：線性模式和開關(guān)模式。在線性模式下，晶體管的柵源電壓足以使電流通過通道，但通道電阻相對(duì)較高。通道上的電壓和通過通道的電流都很大，導(dǎo)致晶體管內(nèi)的功耗很高。

在開關(guān)模式下，柵源電壓要么低到足以阻止電流流動(dòng)，要么高到足以使FET進(jìn)入“完全增強(qiáng)”狀態(tài)，此時(shí)通道電阻大大降低。在這種狀態(tài)下，晶體管像一個(gè)閉合開關(guān)：即使有大電流通過通道，功耗也會(huì)低或中等。

隨著開關(guān)模式操作接近理想狀態(tài)，功耗變得可以忽略不計(jì)。開關(guān)要么完全不活躍，零電流因此零損耗，要么完全活躍，最小電阻因此最小損耗。由于其高效性，開關(guān)模式在許多應(yīng)用中被使用——數(shù)字CMOS電路、電源和D類放大器都是很好的例子。

然而，實(shí)際的MOSFET開關(guān)涉及設(shè)計(jì)者在選擇元件和布置電路板時(shí)需要考慮的損耗。在本文中，我們將討論三種非預(yù)期的功耗：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、柵極電荷損耗。

導(dǎo)通損耗：

導(dǎo)通損耗是指電流通過MOSFET通道的非零電阻時(shí)消耗的功率。完全增強(qiáng)的MOSFET的漏源電阻表示為RDS(on)。

圖1顯示了隨著柵源電壓增加通道電阻如何減小。完全增強(qiáng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于曲線的低斜率部分。

瞬時(shí)導(dǎo)通損耗(PC)可以使用電功率的標(biāo)準(zhǔn)公式之一計(jì)算：

其中ID是FET的漏源電流。

我們還可以使用RMS電流而不是瞬時(shí)電流來計(jì)算時(shí)間平均導(dǎo)通損耗：

由于我們假設(shè)通過MOSFET的電流量由應(yīng)用需求控制，減少導(dǎo)通損耗的方法是降低RDS(on)。這首先通過仔細(xì)選擇元件來實(shí)現(xiàn)——一些現(xiàn)代FET，包括碳化硅和氮化鎵，提供極低的RDS(on)。

除此之外，還應(yīng)確保操作條件和周圍電路有助于FET達(dá)到盡可能低的通道電阻。當(dāng)需要大電流時(shí)，甚至幾歐姆的小數(shù)部分都可能很重要，例如圖2中的降壓轉(zhuǎn)換器。

開關(guān)損耗：

在簡(jiǎn)化的開關(guān)模式操作模型中，MOSFET要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)斷。然而，更現(xiàn)實(shí)的模型必須承認(rèn)兩種狀態(tài)之間的過渡不是瞬時(shí)的。相反，每次開關(guān)時(shí)，F(xiàn)ET都會(huì)短暫地在高功耗線性模式下工作。這導(dǎo)致了第二種損耗，稱為開關(guān)損耗。

計(jì)算開關(guān)損耗并不簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的過渡是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，在此期間通道電阻會(huì)連續(xù)變化。ROHM Semiconductor在其應(yīng)用筆記中提出了公式(3)：

該公式表明開關(guān)損耗(PSW)取決于以下所有因素：

用于驅(qū)動(dòng)FET的開關(guān)電流的電壓(VIN)。

FET的漏電流(ID)。

開關(guān)波形的上升和下降時(shí)間(tR和tF)。

開關(guān)頻率(fSW)。

柵極電荷損耗：

所有MOSFET都有一層絕緣層，可以防止電流通過柵極端口流動(dòng)——這是它們與其他類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)別之一。然而，嚴(yán)格來說，這種絕緣層只阻擋穩(wěn)態(tài)電流。

如圖3所示，MOSFET的絕緣柵極是一個(gè)電容結(jié)構(gòu);因此，直到柵極電容完全充電或放電之前，瞬態(tài)電流都會(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)電路中流動(dòng)。

這構(gòu)成了開關(guān)模式MOSFET的又一個(gè)耗散損耗源。打開和關(guān)閉FET需要改變柵極電壓，當(dāng)瞬態(tài)電流流過寄生電阻時(shí)，會(huì)發(fā)生功耗。

柵極電荷損耗(PGC)的公式如下：

其中：

QG是FET所需的總柵極電荷量

VGS是柵源電壓

fSW是開關(guān)頻率。

公式(4)引導(dǎo)我們得出一個(gè)重要的觀察結(jié)果。需要更高柵極電荷的MOSFET會(huì)降低效率，因此設(shè)計(jì)者面臨權(quán)衡：更大的柵極面積有助于降低RDS(on)，從而減少導(dǎo)通損耗，但更大的柵極面積也增加了QG，從而增加了柵極電荷損耗。

總結(jié)

基于MOSFET的開關(guān)電路通常比依賴于晶體管線性操作模式的電路實(shí)現(xiàn)了更高的效率。然而，開關(guān)損耗確實(shí)存在。估算這些損耗的能力可以幫助你優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免潛在的嚴(yán)重?zé)峁收稀?/p>