大功率电源MOS管开关损耗分析

    在现代科技的环境下，传统的电源设计方案已经无法再满足人们的需要。因此功率更为强大的大功率电源开始成为设计者们的新宠。但是在应用过程中大功率电源也遇到了这样或那样的问题，本文就将针对大功率电源MOSFET功率耗散中的开关损耗问题进行分析。

 

    对于除最大负载外的所有负载，在开、关过程中，同步整流器的MOSFET的漏源电压通过捕获二极管箝制。因此，同步整流器没有引致开关损耗，使其功率耗散易于计算。需要考虑只是电阻耗散。

 

    最坏情况下损耗发生在同步整流器负载系数最大时，即在输入电压为最大值时。通过使用同步整流器的RDS（ON）HOT和负载系数以及欧姆定律，就可以计算出功率耗散的近似值：

 

    PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2×RDS（ON）HOT]×[1>-（VOUT/VIN（MAX））]

 

    开关MOSFET的耗散

 

    开关MOSFET电阻损耗的计算与同步整流器的计算相仿，采用其（不同的）负载系数和RDS（ON）HOT：

 

    PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS（ON）HOT]×（VOUT/VIN）

 

    由于它依赖于许多难以定量且通常不在规格参数范围、对开关产生影响的因素，开关MOSFET的开关损耗计算较为困难。在下面的公式中采用粗略的近似值作为评估一个MOSFET的第一步，并在以后在实验室内对其性能进行验证：

 

    PDSWITCHING=（CRSS×VIN2×fSW×ILOAD）/IGATE

 

    其中CRSS为MOSFET的反向转换电容（一个性能参数），fSW为开关频率，而IGATE为MOSFET的启动阈值处（栅极充电曲线平直部分的VGS）的MOSFET栅极驱动的吸收电流和的源极电流。

 

    一旦根据成本（MOSFET的成本是它所属于那一代产品的非常重要的功能）将选择范围缩小到特定的某一代MOSFET，那一代产品中功率耗散最小的就是具有相等电阻损耗和开关损耗的型号。若采用更小（更快）的器件，则电阻损耗的增加幅度大于开关损耗的减小幅度;而采用更大（RDS（ON）低）的器件中，则开关损耗的增加幅度大于电阻损耗的减小幅度。

 

   如果VIN是变化的，必须同时计算在VIN（MAX）和VIN（MIN）处的开关MOSFET的功率耗散。MOSFET最坏情况下功率耗散将出现在最小或最大输入电压处。耗散为两个函数的和：在VIN（MIN）（较高的负载系数）处达到最大的电阻耗散，和在VIN（MAX）（由于VIN2的影响）处达到最大的开关耗散。最理想的选择略等于在VIN极值的耗散，它平衡了VIN范围内的电阻耗散和开关耗散。

 

   如果在VIN（MIN）处的耗散明显较高，电阻损耗为主。在这种情况下，可以考虑采用较大的开关MOSFET，或并联多个以达到较低的RDS（ON）值。但如果在VIN（MAX）处的耗散明显较高，则可以考虑减小开关MOSFET的尺寸（如果采用多个器件，或者可以去掉MOSFET）以使其可以更快地开关。

 

   如果所述电阻和开关损耗平衡但还是太高，有几个处理方式：

 

   改变题目设定。例如，重新设定输入电压范围;改变开关频率，可以降低开关损耗，且可能使更大、更低的RDS（ON）值的开关MOSFET成为可能;增大栅极驱动电流，降低开关损耗。MOSFET自身最终限制了栅极驱动电流的内部栅极电阻，实际上局限了这一方案;采用可以更快同时开关并具有更低RDS（ON）值和更低的栅极电阻的改进的MOSFET技术。

 

   由于实际操作中的元器件选择数量范围存在限制，当超出特定的点时，就无法完全的对MOSFET尺寸进行精确的调整，因此MOSFET在最坏的情况下必须被耗散。可见耗散情况的好坏关系到大功率电源的性能，因此需要引起足够的重视。