D701-13 封闭式母线及桥架安装（2004年合订本）.pdf

理解功率MOSFET的开关损耗[1]
本文详细分析计算开关损耗,并论述实际状态下功率MOSFET的开通过程和自然零电压关断的过程,从而使电子工程师知道哪个参数起主导作用并更加深入理解MOSFET。
MOSFET开关损耗
1 开通过程中MOSFET开关损耗
功率MOSFET的栅极电荷特性如图1所示。值得注意的是:下面的开通过程对应着BUCK变换器上管的开通状态,对于下管是0电压开通,因此开关损耗很小,可以忽略不计。
图1 MOSFET开关过程中栅极电荷特性
开通过程中,从t0时刻起,栅源极间电容开始充电,栅电压开始上升,栅极电压为
其中:,VGS为PWM栅极驱动器的输出电压,Ron为PWM栅极驱动器内部串联导通电阻,Ciss为MOSFET输入电容,Rg为MOSFET的栅极电阻。
VGS电压从0增加到开启阈值电压VTH前,漏极没有电流流过,时间t1为
VGS电压从VTH增加到米勒平台电压VGP的时间t2为
VGS处于米勒平台的时间t3为
t3也可以用下面公式计算:
注意到了米勒平台后,漏极电流达到系统最大电流ID,就保持在电路
决定的恒定最大值ID,漏极电压开始下降,MOSFET固有的转移特性使栅极电压和漏极电流保持比例的关系,漏极电流恒定,因此栅极电压也保持恒定,这样栅极电压不变,栅源极间的电容不再流过电流,驱动的电流全部流过米勒电容。过了米勒平台后,MOSFET完全导通,栅极电压和漏极电流不再受转移特性的约束,就继续地增大,直到等于驱动电路的电源的电压。
MOSFET开通损耗主要发生在t2和t3时间段。下面以一个具体的实例计算。输入电压12V,,开关频率350kHz,PWM栅极驱动器电压为5V,,,所用的MOSFET为AO4468,具体参数为Ciss=955pF,Coss=145pF,Crss=112pF,Rg=;当VGS=,Qg=9nC;当VGS=10V,Qg=17nC,Qgd=,Qgs=;当VGS=5V且ID=,跨导gFS=19S;当VDS=VGS且ID=250μA,VTH=2V;当VGS==10A,RDS(ON)=。
开通时米勒平台电压VGP:
计算可以得到电感L=.,,,峰值电流为
,所以,开通时米勒平台电压VGP=2+=,可以计算得到:
开通过程中产生开关损耗为
开通过程中,Crss和米勒平台时间t3成正比,计算可以得出米勒平台所占开通损耗比例为84%,因此米勒电容Crss及所对应的Qgd在MOSFET的开关损耗中起主导作用。Ciss=Crss+Cgs,Ciss所对应电荷为
Qg。对于两个不同的MOSFET,两个不同的开关管,即使A管的Qg和Ciss小于B管的,但如果A管的Crss比B管的大得多时,A管的开关损耗就有可能大于B管。因此在实际选取MOSFET时,需要优先考虑米勒电容Crss的值。
减小驱动电阻可以同时降低t3和t2,从而降低开关损耗,但是过高的开关速度会引起EMI的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压,也就是降低阈值开启电压,提高跨导,也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使MOSFET容易受到干扰误导通,增大跨导将增加工艺复杂程度和成本。
2 关断过程中MOSFET开关损耗
关断的过程如图1所示,分析和上面的过程相同,,:VGP=2+=。
关断过程中产生开关损耗为:
Crss一定时,Ciss越大,除了对开关损耗有一定的影响,还会影响开通和关断的延时时间,开通延时为图1中的t1和t2,图2中的t8和t9。
图2 断续模式工作波形
Coss产生开关损耗与对开关过程的影响
1 Coss产生的开关损耗
通常,在MOSFET关断的过程中,Coss充电,能量将储存在其中。Coss同时也影响MOSFET关断过程中的电压的上升率dVDS/dt,Coss越大,
dVDS/dt就越小,这样引起的EMI就越小。反之,Coss越小,dVDS/dt就越大,就越容易产生EMI的问题。
但是,在硬开关的过程中,Coss又不能太大,因为Coss储存的能量将在MOSFET开通的过程中,放电释放能量,将产生更多的功耗降低系统的整体效率,同时在开通过程中,产生大的电流尖峰。