MOSFET開關(guān)損耗簡介

本文將通過解釋MOSFET功耗的重要來源來幫助您優(yōu)化開關(guān)模式調(diào)節(jié)器和驅(qū)動(dòng)器電路。

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

在開關(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(qiáng)”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)閉合的開關(guān)：即使大電流流過通道，功耗也會(huì)很低或中等。

隨著開關(guān)模式操作接近理想情況，功耗變得可以忽略不計(jì)。開關(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，開關(guān)模式被用于許多應(yīng)用——數(shù)字CMOS電路、電源和D類放大器都在腦海中浮現(xiàn)。

然而，現(xiàn)實(shí)生活中的MOSFET開關(guān)涉及到設(shè)計(jì)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，我們將討論三種類型的意外功耗：

傳導(dǎo)損耗。

切換損耗。

柵極電荷損失。

傳導(dǎo)損耗

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

圖1取自O(shè)nsemi的NDS351AN MOSFET的數(shù)據(jù)表，顯示了溝道電阻如何隨著柵極到源極電壓的增加而降低。完全增強(qiáng)的狀態(tài)對應(yīng)于曲線的低斜率部分。

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(dǎo)損耗（PC）可以使用電力的標(biāo)準(zhǔn)公式之一來計(jì)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)電流來計(jì)算時(shí)間平均傳導(dǎo)損耗：

等式2。

由于我們假設(shè)流經(jīng)MOSFET的電流量由應(yīng)用要求決定，因此減少導(dǎo)通損耗的方法是減少RDS（導(dǎo)通）。這首先是通過仔細(xì)的零件選擇來實(shí)現(xiàn)的——一些現(xiàn)代FET，包括碳化硅和氮化鎵，提供極低的RDS（導(dǎo)通）。

除此之外，您還應(yīng)確保工作條件和周圍電路有助于FET達(dá)到盡可能低的溝道電阻。當(dāng)需要大電流時(shí)，即使是歐姆的分?jǐn)?shù)也可能很重要，例如圖2的降壓轉(zhuǎn)換器。

通過LTspice降壓轉(zhuǎn)換器的電流。

圖2:降壓轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載電流必須流過開關(guān)元件的溝道電阻，開關(guān)元件通常是MOSFET。圖片由Robert Keim提供

開關(guān)損耗

在開關(guān)模式操作的簡化模型中，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)，這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不是瞬時(shí)的。相反，F(xiàn)ET每次切換時(shí)都會(huì)在高功耗線性模式下短暫工作。這導(dǎo)致了第二種類型的損耗，稱為開關(guān)損耗。

計(jì)算開關(guān)損耗并不簡單，因?yàn)閷?dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，在此過程中溝道電阻表現(xiàn)出連續(xù)變化。方程3中的公式是由ROHM半導(dǎo)體公司在本申請說明中提出的。

等式3。

該方程表明開關(guān)損耗（PSW）取決于以下所有因素：

用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)電流通過FET（VIN）的電壓。

FET的漏極電流（ID）。

開關(guān)波形的上升和下降時(shí)間（tR和tF）。

開關(guān)頻率（fSW）。

柵極電荷損失

所有MOSFET都有一層絕緣層，可以防止電流流過柵極端子——這也是它們與其他類型場效應(yīng)晶體管的區(qū)別所在。然而，嚴(yán)格地說，這種絕緣只能阻擋穩(wěn)態(tài)電流。如圖3所示，MOSFET的絕緣柵極是電容結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)電流因此在柵極驅(qū)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(jié)構(gòu)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(gòu)成了開關(guān)模式MOSFET耗散損耗的又一個(gè)來源。打開和關(guān)閉FET需要改變柵極電壓，并且當(dāng)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流流過寄生電阻時(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是開關(guān)頻率。

等式4引出了一個(gè)重要的觀察結(jié)果。具有更高柵極電荷要求的MOSFET將降低效率，因此設(shè)計(jì)者面臨一個(gè)權(quán)衡：更大的柵極面積有助于減少RDS（導(dǎo)通），從而減少導(dǎo)通損耗，但更大的柵面積也會(huì)增加QG，從而增加?xùn)艠O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操作的線性模式的電路實(shí)現(xiàn)高得多的效率。盡管如此，開關(guān)損耗確實(shí)會(huì)發(fā)生。估計(jì)這些損失的能力可以幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免潛在的嚴(yán)重?zé)峁收稀?/p>