功率MOSFET的開關(guān)損耗：開通損耗

ID:140840 · 發(fā)表于 2017-2-28 14:56

前面的文章講述過基于功率MOSFET的漏極特性理解其開關(guān)過程，也討論過開關(guān)電源的PWM及控制芯片內(nèi)部的圖騰驅(qū)動(dòng)器的特性和柵極電荷的特性，基于上面的這些理論知識(shí)，就可以估算功率MOSFET在開關(guān)過程中的開關(guān)損耗。開關(guān)損耗內(nèi)容將分成二次分別講述開通過程和開通損耗，以及關(guān)斷過程和和關(guān)斷損耗。

功率MOSFET及驅(qū)動(dòng)的等效電路圖如圖1所示，RG1為功率MOSFET外部串聯(lián)的柵極電阻，RG2為功率MOSFET內(nèi)部的柵極電阻，RG=RUp+RG1+RG2為G極串聯(lián)的總驅(qū)動(dòng)電阻。

圖1：功率MOSFET驅(qū)動(dòng)等效電路

實(shí)際的應(yīng)用中功率MOSFET所接的負(fù)載大多為感性負(fù)載，感性負(fù)載等效為電流源，因此功率MOSFET的開關(guān)過程基于電流源來討論。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在功率MOSFET的柵極時(shí)，開通過程分為4個(gè)模式（階段），其等效電路如圖2所示。

圖2：功率MOSFET開通過程

圖3：功率MOSFET開通波形

(1) 模式M1：t0-t1

起始狀態(tài)從t0時(shí)刻開始，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)通過電阻加在功率MOSFET的柵極G時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)G極的電容充電，G極電壓成指數(shù)上升。MOSFET的漏極和源極所加的電壓VDS為電源電壓VDD，漏極電流ID≈0A。當(dāng)VGS電壓達(dá)到閾值電壓VTH后，此階段結(jié)束，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t1，如圖2(a)和圖3所示。

此過程中，柵極的電壓VGS為：

(2) 模式t1-t2

在t1時(shí)刻，MOSFET開通，漏極開始流過電流，在t1到t2期間，Ciss繼續(xù)充電，柵極電壓VGS繼續(xù)上升，機(jī)理跟前一階段完全一樣，同時(shí)ID的電流從0開始不斷的增加，ID的電流和VGS的值滿足跨導(dǎo)的限制。

當(dāng)ID的電流達(dá)到電流源的電流值Io、也就是系統(tǒng)的最大電流時(shí)，VGS電壓也上升到米勒平臺(tái)電壓VGP，此階段結(jié)束，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t2。在整個(gè)時(shí)間段t1~t2過程中，VDS保持電源電壓VDD不變，如圖2(b)和圖3所示。

(3) 模式t2-t3

在t2時(shí)刻，VGS電壓上升到米勒平臺(tái)電壓VGP，ID電流也上升到系統(tǒng)電流最大值。由于ID的電流不再增加，那么VGS的電壓就要維持不變，而驅(qū)動(dòng)回路仍然提供著驅(qū)動(dòng)的電流，試圖迫使VGS的電壓上升，那么只有VDS的電壓開始變化，也就是VDS從VDD電壓開始下降，產(chǎn)生dV/dT的變化，在米勒電容Crss上產(chǎn)生抽取電流，從而保證VGS的電壓不會(huì)增加。

ICrss = Crss· dVDS/dT

VDS的變化將驅(qū)動(dòng)回路的電流全部抽走，從Crss流過，CGS沒有充電的電流，驅(qū)動(dòng)電流全部流向Crss，VGS的電壓就不再變化，保持不變。在整個(gè)時(shí)間段t2~t3內(nèi)，器件工作在穩(wěn)定的恒流區(qū)，VGS電壓保持恒定VGP不變，ID電流保持恒定，VGS電壓保持一個(gè)平臺(tái)區(qū)，形成有名的米勒平臺(tái)，如圖2b(c)和圖3所示，則有：

隨著VDS電壓不斷降低，Crss的電荷被清除，當(dāng)VDS電壓降到最小值后不再變化，此階段結(jié)束，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t3。

(4) 模式t3-t4

在t3時(shí)刻，VDS電壓降到最小值不再改變，所以dVDS/dT為0，dVDS/dT不再通過Crss產(chǎn)生抽取電流，于是驅(qū)動(dòng)電路的電流將繼續(xù)同時(shí)給CGS和Crss充電，如圖2(d)和圖3所示，VGS的電壓按指數(shù)關(guān)系上升，和階段1、2類似，直到VGS電壓達(dá)到最高的驅(qū)動(dòng)VCC，整個(gè)開通的過程結(jié)束。

通過圖3的波形可以看到，在整個(gè)開通過程的4個(gè)階段：t0-t1、t1-t2、t2-t3和t3-t4，t0-t1階段，ID的電流基本上為0，沒有損耗。t3-t4完全開通，只有導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗，沒有開關(guān)損耗。

t1-t2、t2-t3二個(gè)階段，電流和電壓產(chǎn)生重疊交越區(qū)，因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。同時(shí)，t1-t2和t2-t3二個(gè)階段工作于線性區(qū)，因此功率MOSFET的開通過程中，跨越線性區(qū)是產(chǎn)生開關(guān)損耗的最根本的原因。

這表明：米勒平臺(tái)時(shí)間在開通損耗中占主導(dǎo)地位，這也是為什么在選擇功率MOSFET的時(shí)候，如果關(guān)注開關(guān)損耗，那么就應(yīng)該關(guān)注Crss或QGD，而不僅僅是Ciss和QG。

圖4：功率MOSFET開通損耗

開通損耗沒有考慮在開通過程中，Coss的放電產(chǎn)生的損耗，低壓的應(yīng)用Coss放電產(chǎn)生的損耗可以忽略，而高壓的應(yīng)用中，Coss放電產(chǎn)生的損耗甚至比上面的開通損耗還要大，因此在重點(diǎn)校核。

文章來源：微信公眾號(hào) 融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺(tái)，項(xiàng)目眾包平臺(tái)，方案共享平臺(tái)）

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功率MOSFET的開關(guān)損耗：開通損耗

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