MOSFET開(kāi)關(guān)損耗簡(jiǎn)介

本文將通過(guò)解釋MOSFET功耗的重要來(lái)源來(lái)幫助您優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式調節器和驅動(dòng)器電路。

MOSFET的工作可以分為兩種基本模式：線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)。在線(xiàn)性模式中，晶體管的柵極到源極電壓足以使電流流過(guò)溝道，但溝道電阻相對較高?？鐪系赖碾妷汉土鬟^(guò)溝道的電流都是顯著(zhù)的，導致晶體管中的高功耗。

在開(kāi)關(guān)模式中，柵極到源極電壓足夠低以防止電流流動(dòng)，或者足夠高以使FET處于“完全增強”狀態(tài)，在該狀態(tài)下溝道電阻大大降低。在這種狀態(tài)下，晶體管就像一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)：即使大電流流過(guò)通道，功耗也會(huì )很低或中等。

隨著(zhù)開(kāi)關(guān)模式操作接近理想情況，功耗變得可以忽略不計。開(kāi)關(guān)要么完全不活動(dòng)，電流為零，因此損耗為零，要么完全活動(dòng)，電阻最小，因此損耗最小。由于其高效率，開(kāi)關(guān)模式被用于許多應用——數字CMOS電路、電源和D類(lèi)放大器都在腦海中浮現。

然而，現實(shí)生活中的MOSFET開(kāi)關(guān)涉及到設計師在選擇零件和布置電路板時(shí)經(jīng)常需要考慮的損耗。在本文中，我們將討論三種類(lèi)型的意外功耗：

傳導損耗。

切換損耗。

柵極電荷損失。

傳導損耗

傳導損耗是電流流過(guò)MOSFET溝道的非零電阻時(shí)消耗的功率。完全增強型MOSFET的漏極到源極電阻由RDS（on）表示。

圖1取自Onsemi的NDS351AN MOSFET的數據表，顯示了溝道電阻如何隨著(zhù)柵極到源極電壓的增加而降低。完全增強的狀態(tài)對應于曲線(xiàn)的低斜率部分。

Onsemi的NDS351AN MOSFET的溝道電阻與柵極-源極電壓。

圖1。NDS351AN MOSFET的溝道電阻與柵極-源極電壓的關(guān)系。圖片由Onsemi提供

瞬時(shí)傳導損耗（PC）可以使用電力的標準公式之一來(lái)計算：

等式1。

其中ID是FET的漏極到源極電流。

我們還可以使用RMS電流而不是瞬時(shí)電流來(lái)計算時(shí)間平均傳導損耗：

等式2。

由于我們假設流經(jīng)MOSFET的電流量由應用要求決定，因此減少導通損耗的方法是減少RDS（導通）。這首先是通過(guò)仔細的零件選擇來(lái)實(shí)現的——一些現代FET，包括碳化硅和氮化鎵，提供極低的RDS（導通）。

除此之外，您還應確保工作條件和周?chē)娐酚兄贔ET達到盡可能低的溝道電阻。當需要大電流時(shí)，即使是歐姆的分數也可能很重要，例如圖2的降壓轉換器。

通過(guò)LTspice降壓轉換器的電流。

圖2:降壓轉換器中的負載電流必須流過(guò)開(kāi)關(guān)元件的溝道電阻，開(kāi)關(guān)元件通常是MOSFET。圖片由Robert Keim提供

開(kāi)關(guān)損耗

在開(kāi)關(guān)模式操作的簡(jiǎn)化模型中，MOSFET要么完全導通，要么完全關(guān)斷。然而，更現實(shí)的模型必須承認，這兩種狀態(tài)之間的轉換不是瞬時(shí)的。相反，FET每次切換時(shí)都會(huì )在高功耗線(xiàn)性模式下短暫工作。這導致了第二種類(lèi)型的損耗，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。

計算開(kāi)關(guān)損耗并不簡(jiǎn)單，因為導通和截止狀態(tài)之間的轉換是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在此過(guò)程中溝道電阻表現出連續變化。方程3中的公式是由ROHM半導體公司在本申請說(shuō)明中提出的。

等式3。

該方程表明開(kāi)關(guān)損耗（PSW）取決于以下所有因素：

用于驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電流通過(guò)FET（VIN）的電壓。

FET的漏極電流（ID）。

開(kāi)關(guān)波形的上升和下降時(shí)間（tR和tF）。

開(kāi)關(guān)頻率（fSW）。

柵極電荷損失

所有MOSFET都有一層絕緣層，可以防止電流流過(guò)柵極端子——這也是它們與其他類(lèi)型場(chǎng)效應晶體管的區別所在。然而，嚴格地說(shuō)，這種絕緣只能阻擋穩態(tài)電流。如圖3所示，MOSFET的絕緣柵極是電容結構；瞬態(tài)電流因此在柵極驅動(dòng)電路中流動(dòng)，直到柵極電容器被完全充電或放電。

MOSFET圖示出了電容性柵極結構和漏極到源極電流通道。

圖3。在這個(gè)MOSFET圖中，施加的柵極到源極電壓為漏極到源極電流創(chuàng )建了通道。圖片由Tony R.Kuphaldt提供

這構成了開(kāi)關(guān)模式MOSFET耗散損耗的又一個(gè)來(lái)源。打開(kāi)和關(guān)閉FET需要改變柵極電壓，并且當產(chǎn)生的瞬態(tài)電流流過(guò)寄生電阻時(shí)會(huì )發(fā)生功率耗散。

柵極電荷損失（PGC）的公式由等式4給出。

等式4。

哪里

QG是FET所需的總柵極電荷

VGS是柵極到源極的電壓

fSW是開(kāi)關(guān)頻率。

等式4引出了一個(gè)重要的觀(guān)察結果。具有更高柵極電荷要求的MOSFET將降低效率，因此設計者面臨一個(gè)權衡：更大的柵極面積有助于減少RDS（導通），從而減少導通損耗，但更大的柵面積也會(huì )增加QG，從而增加柵極電荷損耗。

總結

基于MOSFET的開(kāi)關(guān)電路通常比依賴(lài)于晶體管操作的線(xiàn)性模式的電路實(shí)現高得多的效率。盡管如此，開(kāi)關(guān)損耗確實(shí)會(huì )發(fā)生。估計這些損失的能力可以幫助您優(yōu)化設計，避免潛在的嚴重熱故障。