MOSFET開關損耗簡介

本文將通過解釋MOSFET功耗的重要來源來幫助您優化開關模式調節器和驅動器電路。

MOSFET的工作可以分為兩種基本模式：線性和開關。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。跨溝道的電壓和流過溝道的電流都是顯著的，導致晶體管中的高功耗。

在開關模式中，柵極到源極電壓足夠低以防止電流流動，或者足夠高以使FET處于“完全增強”狀態，在該狀態下溝道電阻大大降低。在這種狀態下，晶體管就像一個閉合的開關：即使大電流流過通道，功耗也會很低或中等。

隨著開關模式操作接近理想情況，功耗變得可以忽略不計。開關要么完全不活動，電流為零，因此損耗為零，要么完全活動，電阻最小，因此損耗最小。由于其高效率，開關模式被用于許多應用——數字CMOS電路、電源和D類放大器都在腦海中浮現。

然而，現實生活中的MOSFET開關涉及到設計師在選擇零件和布置電路板時經常需要考慮的損耗。在本文中，我們將討論三種類型的意外功耗：

傳導損耗。

切換損耗。

柵極電荷損失。

傳導損耗

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

圖1取自Onsemi的NDS351AN MOSFET的數據表，顯示了溝道電阻如何隨著柵極到源極電壓的增加而降低。完全增強的狀態對應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-源極電壓的關系。圖片由Onsemi提供

瞬時傳導損耗（PC）可以使用電力的標準公式之一來計算：

等式1。

其中ID是FET的漏極到源極電流。

我們還可以使用RMS電流而不是瞬時電流來計算時間平均傳導損耗：

等式2。

由于我們假設流經MOSFET的電流量由應用要求決定，因此減少導通損耗的方法是減少RDS（導通）。這首先是通過仔細的零件選擇來實現的——一些現代FET，包括碳化硅和氮化鎵，提供極低的RDS（導通）。

除此之外，您還應確保工作條件和周圍電路有助于FET達到盡可能低的溝道電阻。當需要大電流時，即使是歐姆的分數也可能很重要，例如圖2的降壓轉換器。

通過LTspice降壓轉換器的電流。

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

開關損耗

在開關模式操作的簡化模型中，MOSFET要么完全導通，要么完全關斷。然而，更現實的模型必須承認，這兩種狀態之間的轉換不是瞬時的。相反，FET每次切換時都會在高功耗線性模式下短暫工作。這導致了第二種類型的損耗，稱為開關損耗。

計算開關損耗并不簡單，因為導通和截止狀態之間的轉換是一個高度動態的過程，在此過程中溝道電阻表現出連續變化。方程3中的公式是由ROHM半導體公司在本申請說明中提出的。

等式3。

該方程表明開關損耗（PSW）取決于以下所有因素：

用于驅動開關電流通過FET（VIN）的電壓。

FET的漏極電流（ID）。

開關波形的上升和下降時間（tR和tF）。

開關頻率（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晶體管的區別所在。然而，嚴格地說，這種絕緣只能阻擋穩態電流。如圖3所示，MOSFET的絕緣柵極是電容結構；瞬態電流因此在柵極驅動電路中流動，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構和漏極到源極電流通道。

圖3。在這個MOSFET圖中，施加的柵極到源極電壓為漏極到源極電流創建了通道。圖片由Tony R.Kuphaldt提供

這構成了開關模式MOSFET耗散損耗的又一個來源。打開和關閉FET需要改變柵極電壓，并且當產生的瞬態電流流過寄生電阻時會發生功率耗散。

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是開關頻率。

等式4引出了一個重要的觀察結果。具有更高柵極電荷要求的MOSFET將降低效率，因此設計者面臨一個權衡：更大的柵極面積有助于減少RDS（導通），從而減少導通損耗，但更大的柵面積也會增加QG，從而增加柵極電荷損耗。

總結

基于MOSFET的開關電路通常比依賴于晶體管操作的線性模式的電路實現高得多的效率。盡管如此，開關損耗確實會發生。估計這些損失的能力可以幫助您優化設計，避免潛在的嚴重熱故障。