MOSFET开关损耗简介
MOSFET开关损耗简介
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）在现代电子设备中扮演着至关重要的角色，特别是在开关模式调节器和驱动器电路中。然而，MOSFET在开关过程中会产生各种损耗，这些损耗不仅影响电路的效率，还可能导致过热等问题。本文将详细介绍MOSFET的三种主要损耗类型：传导损耗、切换损耗和栅极电荷损耗，并提供相应的计算公式和优化建议。
MOSFET的工作可以分为两种基本模式：线性和开关。在线性模式中，晶体管的栅极到源极电压足以使电流流过沟道，但沟道电阻相对较高。跨沟道的电压和流过沟道的电流都是显著的，导致晶体管中的高功耗。
在开关模式中，栅极到源极电压足够低以防止电流流动，或者足够高以使FET处于“完全增强”状态，在该状态下沟道电阻大大降低。在这种状态下，晶体管就像一个闭合的开关：即使大电流流过通道，功耗也会很低或中等。
随着开关模式操作接近理想情况，功耗变得可以忽略不计。开关要么完全不活动，电流为零，因此损耗为零，要么完全活动，电阻最小，因此损耗最小。由于其高效率，开关模式被用于许多应用——数字CMOS电路、电源和D类放大器都在脑海中浮现。
然而，现实生活中的MOSFET开关涉及到设计师在选择零件和布置电路板时经常需要考虑的损耗。在本文中，我们将讨论三种类型的意外功耗：
- 传导损耗
- 切换损耗
- 栅极电荷损失
传导损耗
传导损耗是电流流过MOSFET沟道的非零电阻时消耗的功率。完全增强型MOSFET的漏极到源极电阻由RDS（on）表示。
图1。NDS351AN MOSFET的沟道电阻与栅极-源极电压的关系。图片由Onsemi提供
瞬时传导损耗（PC）可以使用电力的标准公式之一来计算：
$$PC = I_D^2 \cdot R_{DS(on)}$$
其中ID是FET的漏极到源极电流。
我们还可以使用RMS电流而不是瞬时电流来计算时间平均传导损耗：
$$P_{cond} = I_{D,rms}^2 \cdot R_{DS(on)}$$
由于我们假设流经MOSFET的电流量由应用要求决定，因此减少导通损耗的方法是减少RDS（导通）。这首先是通过仔细的零件选择来实现的——一些现代FET，包括碳化硅和氮化镓，提供极低的RDS（导通）。
除此之外，您还应确保工作条件和周围电路有助于FET达到尽可能低的沟道电阻。当需要大电流时，即使是欧姆的分数也可能很重要，例如图2的降压转换器。
图2:降压转换器中的负载电流必须流过开关元件的沟道电阻，开关元件通常是MOSFET。图片由Robert Keim提供
切换损耗
在开关模式操作的简化模型中，MOSFET要么完全导通，要么完全关断。然而，更现实的模型必须承认，这两种状态之间的转换不是瞬时的。相反，FET每次切换时都会在高功耗线性模式下短暂工作。这导致了第二种类型的损耗，称为开关损耗。
计算开关损耗并不简单，因为导通和截止状态之间的转换是一个高度动态的过程，在此过程中沟道电阻表现出连续变化。方程3中的公式是由ROHM半导体公司在本申请说明中提出的。
$$P_{SW} = \frac{1}{2} \cdot V_{IN} \cdot I_D \cdot (t_R + t_F) \cdot f_{SW}$$
该方程表明开关损耗（PSW）取决于以下所有因素：
- 用于驱动开关电流通过FET（VIN）的电压。
- FET的漏极电流（ID）。
- 开关波形的上升和下降时间（tR和tF）。
- 开关频率（fSW）。
栅极电荷损失
所有MOSFET都有一层绝缘层，可以防止电流流过栅极端子——这也是它们与其他类型场效应晶体管的区别所在。然而，严格地说，这种绝缘只能阻挡稳态电流。如图3所示，MOSFET的绝缘栅极是电容结构；瞬态电流因此在栅极驱动电路中流动，直到栅极电容器被完全充电或放电。
图3。在这个MOSFET图中，施加的栅极到源极电压为漏极到源极电流创建了通道。图片由Tony R.Kuphaldt提供
这构成了开关模式MOSFET耗散损耗的又一个来源。打开和关闭FET需要改变栅极电压，并且当产生的瞬态电流流过寄生电阻时会发生功率耗散。
栅极电荷损失（PGC）的公式由等式4给出。
$$P_{GC} = \frac{1}{2} \cdot Q_G \cdot V_{GS} \cdot f_{SW}$$
哪里
- QG是FET所需的总栅极电荷
- VGS是栅极到源极的电压
- fSW是开关频率。
等式4引出了一个重要的观察结果。具有更高栅极电荷要求的MOSFET将降低效率，因此设计者面临一个权衡：更大的栅极面积有助于减少RDS（导通），从而减少导通损耗，但更大的栅面积也会增加QG，从而增加栅极电荷损耗。
总结
基于MOSFET的开关电路通常比依赖于晶体管操作的线性模式的电路实现高得多的效率。尽管如此，开关损耗确实会发生。估计这些损失的能力可以帮助您优化设计，避免潜在的严重热故障。