理解功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗

本文詳細(xì)分析計(jì)算開(kāi)關(guān)損耗，并論述實(shí)際狀態(tài)下功率MOSFET的開(kāi)通過(guò)程和自然零電壓關(guān)斷的過(guò)程，從而使電子工程師知道哪個(gè)參數(shù)起主導(dǎo)作用并更加深入理解MOSFET。

MOSFET開(kāi)關(guān)損耗
1 開(kāi)通過(guò)程中MOSFET開(kāi)關(guān)損耗
功率MOSFET的柵極電荷特性如圖1所示。值得注意的是：下面的開(kāi)通過(guò)程對(duì)應(yīng)著B(niǎo)UCK變換器上管的開(kāi)通狀態(tài)，對(duì)于下管是0電壓開(kāi)通，因此開(kāi)關(guān)損耗很小，可以忽略不計(jì)。

圖1 MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程中柵極電荷特性

開(kāi)通過(guò)程中，從t0時(shí)刻起，柵源極間電容開(kāi)始充電，柵電壓開(kāi)始上升，柵極電壓為

其中：，VGS為PWM柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，Ron為PWM柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部串聯(lián)導(dǎo)通電阻，Ciss為MOSFET輸入電容，Rg為MOSFET的柵極電阻。

VGS電壓從0增加到開(kāi)啟閾值電壓VTH前，漏極沒(méi)有電流流過(guò)，時(shí)間t1為

VGS電壓從VTH增加到米勒平臺(tái)電壓VGP的時(shí)間t2為

VGS處于米勒平臺(tái)的時(shí)間t3為

t3也可以用下面公式計(jì)算：

注意到了米勒平臺(tái)后，漏極電流達(dá)到系統(tǒng)最大電流ID，就保持在電路決定的恒定最大值ID，漏極電壓開(kāi)始下降，MOSFET固有的轉(zhuǎn)移特性使柵極電壓和漏極電流保持比例的關(guān)系，漏極電流恒定，因此柵極電壓也保持恒定，這樣?xùn)艠O電壓不變，柵源極間的電容不再流過(guò)電流，驅(qū)動(dòng)的電流全部流過(guò)米勒電容。過(guò)了米勒平臺(tái)后，MOSFET完全導(dǎo)通，柵極電壓和漏極電流不再受轉(zhuǎn)移特性的約束，就繼續(xù)地增大，直到等于驅(qū)動(dòng)電路的電源的電壓。

MOSFET開(kāi)通損耗主要發(fā)生在t2和t3時(shí)間段。下面以一個(gè)具體的實(shí)例計(jì)算。輸入電壓12V，輸出電壓3.3V/6A，開(kāi)關(guān)頻率350kHz，PWM柵極驅(qū)動(dòng)器電壓為5V，導(dǎo)通電阻1.5Ω，關(guān)斷的下拉電阻為0.5Ω，所用的MOSFET為AO4468，具體參數(shù)為Ciss=955pF，Coss=145pF，Crss=112pF，Rg=0.5Ω；當(dāng)VGS=4.5V，Qg=9nC；當(dāng)VGS=10V，Qg=17nC，Qgd=4.7nC，Qgs=3.4nC；當(dāng)VGS=5V且ID=11.6A，跨導(dǎo)gFS=19S；當(dāng)VDS=VGS且ID=250μA，VTH=2V；當(dāng)VGS=4.5V且ID=10A，RDS(ON)=17.4mΩ。

開(kāi)通時(shí)米勒平臺(tái)電壓VGP：

計(jì)算可以得到電感L=4.7μH.，滿(mǎn)載時(shí)電感的峰峰電流為1.454A，電感的谷點(diǎn)電流為5.273A，峰值電流為6.727A，所以，開(kāi)通時(shí)米勒平臺(tái)電壓VGP=2+5.273/19=2.278V，可以計(jì)算得到：

開(kāi)通過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗為