MOSFET開(kāi)關(guān)損耗分析

摘要：為了有效解決金屬一氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)在通信設備直流-48 V緩啟動(dòng)應用電路中出現的開(kāi)關(guān)損耗失效問(wèn)題，通過(guò)對MOSFET柵極電荷、極間電容的闡述和導通過(guò)程的解剖，定位了MOSFET開(kāi)關(guān)損耗的來(lái)源，進(jìn)而為緩啟動(dòng)電路設計優(yōu)化，減少MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗提供了技術(shù)依據。

關(guān)鍵詞：MOSFET;帶電插拔;緩啟動(dòng);開(kāi)關(guān)損耗

在采用集中供電的二次電源系統中，板卡插入主機時(shí)，主機已經(jīng)處于穩定的工作狀態(tài)，所有容性負載均已充電。待插的板卡是不帶電的，板卡上的容性負載沒(méi)有充電，在熱插入過(guò)程中，待插板卡上的電容瞬間充電。充電過(guò)程將在插入的瞬間從系統電源吸納大量的電流，導致系統電壓瞬間跌落，影響其他板卡的正常運行。另外，在電源線(xiàn)接觸的瞬間，系統電源的輸出電阻和待插板卡的電容組成RC充電通道，由于電源的輸出電阻很小，浪涌電流非常大。在拔出板卡的過(guò)程中，板卡上的旁路電容放電，和背板之間形成一個(gè)低阻通道，也會(huì )產(chǎn)生瞬間大電流。浪涌電流攜帶大量的能量，會(huì )毀壞接口器件、連接器和金屬連線(xiàn)。為了防止上述情況發(fā)生，需要對電源系統進(jìn)行必要的保護性設計。

解決帶電插拔不利影響的根本措施是減少浪涌電流，浪涌電流是由于待插板卡的容性負載在上電瞬間充電引起的。由公式I=Cdv/dt可知，上電時(shí)間直接決定了浪涌電流的大小。在一般的帶電插拔過(guò)程中，充電電壓相當于一個(gè)階躍激勵，dv/dt極大。我們知道在采用RC充電回路中，電容的充電時(shí)間可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變R和C值來(lái)設定，如果利用這個(gè)漸變的電壓控制一個(gè)在一定電壓下導通的開(kāi)關(guān)MOSFET，就可以緩慢導通二次電源，非常有效地減少浪涌電流的值，從而最大程度地減少帶電插拔帶來(lái)的負面影響。

公司網(wǎng)絡(luò )、數據及無(wú)線(xiàn)基站產(chǎn)品各單板基本都應用了由N溝道MOSFET加分立元件組成的緩啟動(dòng)電路來(lái)減少直流-48 V上電的浪涌電流。由于該MOSFET在單板上不僅用來(lái)實(shí)現-48 V緩啟動(dòng)功能，在某些單板也是遠程控制上下電的關(guān)鍵器件。一旦MOSFET失效，單板-48 V電源輸出就出現故障，更無(wú)法實(shí)現緩啟動(dòng)功能和遠程控制功能，將嚴重影響產(chǎn)品單板的正常運行?？梢?jiàn)，MOSFET在單板緩啟動(dòng)電路中起到了舉足輕重的作用，科學(xué)分析MOSFET特性，深入了解其導通特性，減少MOSFET的損壞就是整個(gè)熱插拔緩啟動(dòng)電路的關(guān)鍵。

1 MOSFET在開(kāi)關(guān)應用過(guò)程中的問(wèn)題

公司網(wǎng)絡(luò )、數據及無(wú)線(xiàn)基站產(chǎn)品各單板都采用通過(guò)簡(jiǎn)單的改變RC充電回路中R和C值，產(chǎn)生一個(gè)漸變的電壓控制一個(gè)在一定電壓下導通的開(kāi)關(guān)MOSFET，來(lái)導通輸入直流-48V電壓進(jìn)而減少熱插拔過(guò)程的浪涌電流。但是因為對于MOSFET本身內部結構、開(kāi)關(guān)過(guò)程和損耗了解不全面，造成了大批MOSFET失效的案例。筆者通過(guò)對公司各產(chǎn)品直流-48V緩啟動(dòng)電路MOSFET失效情況分析和統計發(fā)現，MOSFET的失效在公司各產(chǎn)品事業(yè)部都有發(fā)生，失效問(wèn)題數量比較多，但失效原因卻比較單一，都是由于短時(shí)過(guò)功率燒毀。失效案例中同時(shí)也提出了改善對策，需要我們改進(jìn)目前-48 V DC緩啟動(dòng)電路的驅動(dòng)設計減少MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的損耗，避免MOSFET失效問(wèn)題的再次發(fā)生。

2 MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗

由于造成MOSFET失效的原因大多都是由于開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗過(guò)大導致的過(guò)功率燒毀。究竟MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗是如何產(chǎn)生的，在 MOSFET導通的哪一階段產(chǎn)生，跟什么因素有關(guān)?這個(gè)必須從MOSFET本身的寄生柵極電荷、極間電容入手，通過(guò)對MOSFET寄生電荷和MOSFET 的開(kāi)關(guān)過(guò)程來(lái)分析開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的因素及其原因。

2.1 柵極電荷QG

在MOSFET中，柵極電荷決定于柵極氧化層的厚度及其它與裸片布線(xiàn)有關(guān)的物理參數，它可以表示為驅動(dòng)電流值與開(kāi)通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。

如圖1是柵極電壓和柵極電荷之間的關(guān)系，從中可以看到柵極電荷的非線(xiàn)性特性。這條曲線(xiàn)的斜率可用來(lái)估計柵極電容Cgs的數值。曲線(xiàn)的第一段是線(xiàn)性的，QGS是使柵極電壓從0升到門(mén)限值所需電荷，此時(shí)漏極電流出現，漏極電壓開(kāi)始下降;此段柵極電容Cgs就是Cgs。曲線(xiàn)的第二段是水平的，柵極到漏極電荷QGD是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應所需電荷，所以柵極到漏極電荷QGD也稱(chēng)為“Miller”電荷。此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降。這一段的柵極電容是Cgs加上Cgd的影響(通常稱(chēng)為Miller效應)。

通過(guò)觀(guān)察柵極電壓UGS和柵極電荷QG之間的關(guān)系可以看出，寄生的柵極電荷QG值雖然很小，但是在MOSFET管導通過(guò)程中可分為明顯的3個(gè)階段;同時(shí)，由于受柵極到漏極電荷QGD即“Miller”電荷的影響使柵極電荷產(chǎn)生了非線(xiàn)性特性，也影響了柵極電壓UGS的線(xiàn)性升高。

2.2 MOSFET的極間電容

MOSFET其內部極間電容主要有Cgs、Cgd和Cds。并且Cgs>>Cds>>Cgd。其中Cgs為柵源電容、Cgd為柵漏電容，它們是由Mos結構的絕緣層形成的;Cds為漏源電容，由PN結構成。MOSFET極間電容等效電路如圖2所示。

MOSFET管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

Cgd=Crss

Cgs=Ciss-Crss

Cds=Coss-Crss

公式中Ciss、Coss、和Crss分別是MOSFET管的輸入電容、輸出電容和反饋電容。它們的數值可以在MOS管的手冊上查到。

通過(guò)觀(guān)察MOSFET極間電容和寄生柵極電荷QG，可以看到，MOSFET極間電容是由其導電溝道結構及工藝決定，固有的。由于存在反饋電容及柵極到漏極電荷QGD，QGD的大部分用來(lái)減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應，此時(shí)Vds尚未達到Vsat。對曲線(xiàn)水平段所對應的電容Cgs充電所花費的時(shí)間越長(cháng)，Vgs維持在一個(gè)恒定電壓上的時(shí)間也就越長(cháng)，MOSFET達到飽和狀態(tài)所需的時(shí)間也就越長(cháng)。這種情況相應的MOSFET的能量損耗也越大，產(chǎn)生的熱量越多、效率越低。

2.3 MOSFET的導通過(guò)程

MOSFET極間電容是影響開(kāi)關(guān)時(shí)間的主要因素。由于受極問(wèn)電容的影響，MOSFET的導通過(guò)程可分為如下幾個(gè)階段(如圖4所示)。

1)t0～t1期間：驅動(dòng)電壓從零上升，經(jīng)rG對圖3 MOSFET等效結構中G端輸入電容Ciss充電，電壓按虛線(xiàn)上升(開(kāi)路脈沖)，Ciss越小，則電壓上升的越快;

2)t1～t2期間：t1瞬時(shí)，MOS管的柵源電壓達到開(kāi)啟電壓UGS(th)，漏極電流開(kāi)始上升;由于漏源等效的輸出電容Coss會(huì )對MOSFET容性放電，漏極電流ID上升，漏源電壓下降;同時(shí)受反饋電容Crss的影響G驅動(dòng)電壓Vgs的上升速率特別平緩，(低于開(kāi)路脈沖);

3)t2～t3期間：t2瞬間，漏極電流ID已經(jīng)達到穩態(tài)幅值，但Coss的電壓尚大，電流還會(huì )上沖;

4)t3～t4期間：t3瞬時(shí)，Coss在漏極峰值電流放電下，漏極電壓迅速下降，受反饋電容Crss的影響G驅動(dòng)電壓略有回落，維持漏極電流所需的驅動(dòng)電壓值，保持平衡;

5)t4之后：t4瞬時(shí)，Coss的電荷放完，漏源電壓近似為零，并保持不變;反饋消失。Vgs升高到開(kāi)路脈沖，進(jìn)入穩態(tài)導通期。

由此MOSFET開(kāi)通過(guò)程可看，漏極電流在QG波形的QGD階段出現，由于受極間電容的影響，VDS電壓失去了線(xiàn)性的過(guò)程，所以一方面在漏極電流出現的過(guò)程，該段漏極電壓依然很高，漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這就造成了MOSFET管功率損耗的增加。另一方面開(kāi)關(guān)導通時(shí)，由于受受 “Miller”電荷的影響，電容Cgs充電需花費較長(cháng)時(shí)間，Vgs長(cháng)時(shí)間上升速率特別平緩，(低于開(kāi)路脈沖)，這種情況造成MOSFET的損耗很大并產(chǎn)生大量熱量、降低了開(kāi)關(guān)效率;

3 損耗來(lái)源

通過(guò)對MOSFET特性的分析可以看出，MOSFET并不是單純的電壓控制器件。它的開(kāi)啟和開(kāi)關(guān)速度與電流有關(guān)，它取決于驅動(dòng)電路是否能夠在它需要時(shí)提供足夠的電流，使電容Cgs快速充電。由于在第二段時(shí)，受“Miller”電荷及極間電容的影響，電容充電需要較長(cháng)時(shí)間，造成MOSFET 管開(kāi)關(guān)損耗增加，產(chǎn)生大量的熱量。同時(shí)由于VDS電壓失去了線(xiàn)性的過(guò)程，開(kāi)關(guān)導通時(shí)漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。在這整個(gè)過(guò)程中，MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和功率損耗都增加，這就很容易造成MOSFET的燒毀。

所以在第二段迫切要求柵極驅動(dòng)能夠提供足夠的電流，在短時(shí)間內為第二段曲線(xiàn)對應的柵極電容Cgs充電，使MOSFET迅速地開(kāi)啟。同時(shí)，要提供一個(gè)合理的 Vgs最佳平臺電壓(也就是總的QG)，在此過(guò)程控制VDS電壓的線(xiàn)性度，使電流的變化和漏極電壓變化率相等，減少功率損耗。

利用MOSFET管及分立器件實(shí)現-48 V電源緩啟動(dòng)需要優(yōu)化電路設計，既要提供柵極電流，又要控制好漏源電壓的線(xiàn)性度，從而控制漏極沖擊電流，以減少MOSFET的損耗。

4 結論

文章闡述了MOSFET本身的寄生柵極電荷和極間電容，深入分解了MOSFET導通的5個(gè)階段，通過(guò)對MOSFET開(kāi)關(guān)特性的分析指出了MOSFET導通過(guò)程開(kāi)關(guān)損耗的來(lái)源，為直流-48 V電源緩啟動(dòng)電路設計的優(yōu)化提供了技術(shù)依據。