MOSEFT分析：理解功率MOSFET的開關(guān)損耗

開通過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗為

開通過程中，Crss和米勒平臺時間t3成正比，計算可以得出米勒平臺所占開通損耗比例為84%，因此米勒電容Crss及所對應(yīng)的Qgd在MOSFET的開關(guān)損耗中起主導(dǎo)作用。Ciss=Crss+Cgs，Ciss所對應(yīng)電荷為Qg。對于兩個不同的MOSFET，兩個不同的開關(guān)管，即使A管的Qg和Ciss小于B管的，但如果A管的Crss比B管的大得多時，A管的開關(guān)損耗就有可能大于B管。因此在實際選取MOSFET時，需要優(yōu)先考慮米勒電容Crss的值。

減小驅(qū)動電阻可以同時降低t3和t2，從而降低開關(guān)損耗，但是過高的開關(guān)速度會引起EMI的問題。提高柵驅(qū)動電壓也可以降低t3時間。降低米勒電壓，也就是降低閾值開啟電壓，提高跨導(dǎo)，也可以降低t3時間從而降低開關(guān)損耗。但過低的閾值開啟會使MOSFET容易受到干擾誤導(dǎo)通，增大跨導(dǎo)將增加工藝復(fù)雜程度和成本。

2 關(guān)斷過程中MOSFET開關(guān)損耗

關(guān)斷的過程如圖1所示，分析和上面的過程相同，需注意的就是此時要用PWM驅(qū)動器內(nèi)部的下拉電阻0.5Ω和Rg串聯(lián)計算，同時電流要用最大電流即峰值電流6.727A來計算關(guān)斷的米勒平臺電壓及相關(guān)的時間值：VGP=2+6.727/19=2.354V。

關(guān)斷過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗為：

Crss一定時，Ciss越大，除了對開關(guān)損耗有一定的影響，還會影響開通和關(guān)斷的延時時間，開通延時為圖1中的t1和t2，圖2中的t8和t9。

圖2 斷續(xù)模式工作波形

Coss產(chǎn)生開關(guān)損耗與對開關(guān)過程的影響

1 Coss產(chǎn)生的開關(guān)損耗

通常，在MOSFET關(guān)斷的過程中，Coss充電，能量將儲存在其中。Coss同時也影響MOSFET關(guān)斷過程中的電壓的上升率dVDS/dt，Coss越大，dVDS/dt就越小，這樣引起的EMI就越小。反之，Coss越小，dVDS/dt就越大，就越容易產(chǎn)生EMI的問題。

但是，在硬開關(guān)的過程中，Coss又不能太大，因為Coss儲存的能量將在MOSFET開通的過程中，放電釋放能量，將產(chǎn)生更多的功耗降低系統(tǒng)的整體效率，同時在開通過程中，產(chǎn)生大的電流尖峰。

開通過程中大的電流尖峰產(chǎn)生大的電流應(yīng)力，瞬態(tài)過程中有可能損壞MOSFET，同時還會產(chǎn)生電流干擾，帶來EMI的問題；另外，大的開通電流尖峰也會給峰值電流模式的PWM控制器帶來電流檢測的問題，需要更大的前沿消隱時間，防止電流誤檢測，從而降低了系統(tǒng)能夠工作的最小占空比值。

Coss產(chǎn)生的損耗為：

對于BUCK變換器，工作在連續(xù)模式時，開通時MOSFET的電壓為輸入電源電壓。當(dāng)工作在斷續(xù)模式時，由于輸出電感以輸出電壓為中心振蕩，Coss電壓值為開通瞬態(tài)時MOSFET的兩端電壓值，如圖2所示。

2 Coss對開關(guān)過程的影響

圖1中VDS的電壓波形是基于理想狀態(tài)下，用工程簡化方式來分析的。由于Coss存在，實際的開關(guān)過程中的電壓和電流波形與圖1波形會有一些差異，如圖3所示。下面以關(guān)斷過程為例說明。基于理想狀態(tài)下，以工程簡化方式，認為VDS在t7時間段內(nèi)線性地從最小值上升到輸入電壓，電流在t8時間段內(nèi)線性地從最大值下降到0。

圖3 MOSFET開關(guān)過程中實際波形