開關管MOSFET的功耗分析及優(yōu)化

一、引言

MOSFET作為主要的開關功率器件之一，被大量應用于模塊電源。了解MOSFET的損耗組成并對其分析，有利于優(yōu)化MOSFET損耗，提高模塊電源的功率;但是一味的減少MOSFET的損耗及其他方面的損耗，反而會引起更嚴重的EMI問題，導致整個系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。所以需要在減少MOSFET的損耗的同時需要兼顧模塊電源的EMI性能。

二、開關管MOSFET的功耗分析

MOSFET的損耗主要有以下部分組成：

1.通態(tài)損耗;2.導通損耗;3.關斷損耗;4.驅動損耗;5.吸收損耗;

隨著模塊電源的體積減小，需 要將開關頻率進一步提高，進而導致開通損耗和關斷損耗的增加，例如300kHz的驅動頻率下，開通損耗和關斷損耗的比例已經是總損耗主要部分了。

MOSFET導通與關斷過程中都會產生損耗，在這兩個轉換過程中，漏極電壓與漏極電流、柵源電壓與電荷之間的關系如圖1和圖2所示，現(xiàn)以導通轉換過程為例進行分析：

t0-t1區(qū)間：柵極電壓從0上升到門限電壓Uth，開關管為導通，無漏極電流通過這一區(qū)間不產生損耗;

t1-t2區(qū)間：柵極電壓達到Vth，漏極電流ID開始增加，到t2時刻達到值，但是漏源電壓保持截止時高電平不變，從圖1可以看出，此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大;

t2-t3區(qū)間：從t2時刻開始，漏源電壓VDS開始下降，引起密勒電容效應，使得柵極電壓不能上升而出現(xiàn)平臺，t2-t3時刻電荷量等于Qgd，t3時刻開始漏極電壓下降到值;此部分有VDS與ID有重疊，MOSFET功耗增大

t3-t4區(qū)間：柵極電壓從平臺上升至的驅動電壓(模塊電源一般設定為12V)，上升的柵壓使導通電阻進一步減少，MOSFET進入完全導通狀態(tài);此時損耗轉化為導通損耗。

關斷過程與導通過程相似，只不過是波形相反而已;關于MOSFET的導通損耗與關斷損耗的分析過程，有很多文獻可以參考，這里直接引用《張興柱之MOSFET分析》的總結公式如下：

備注：為上升時間， 為開關頻率， 為下降時間，為柵極電荷，為柵極驅動電壓 為MOSFET體二極管損耗。

三、MOSFET的損耗優(yōu)化方法及其利弊關系

1. 通過降低模塊電源的驅動頻率減少MOSFET的損耗[稍微提一下EMI問題及其解決方案]

從MOSFET的損耗分析可以看出，開關電源的驅動頻率越高，導通損耗、關斷損耗和驅動損耗會相應增大，但是高頻化可以使得模塊電源的變壓器磁芯更小，模塊的體積變得更小，所以可以通過開關頻率去優(yōu)化開通損耗、關斷損耗和驅動損耗，但是高頻化卻會引起嚴重的EMI問題。

采用跳頻控制方法，在輕負載情況下，通過降低模塊電源的開關頻率來降低驅動損耗，從而進一步提高輕負載條件下的效率，使得系統(tǒng)在待機工作下，更節(jié)能，進一步提高蓄電池供電系統(tǒng)的工作時間，并且還能夠降低EMI的輻射問題;

2.通過降低、來減少MOSFET的損耗

典型的小功率模塊電源(小于50W)大多采用的電路拓撲結構為反激形式，典型的控制電路如圖3所示;從MOSFET的損耗分析還可以知道：與開 通損耗成正比、與關斷損耗成正比;所以可以通過減少 、來減少MOSFET的損耗，通常情況下，可以減小MOSFET的驅動電阻Rg來減少、時間，但是此優(yōu)化方法卻帶來嚴重的EMI問題;以下舉例說說：

1)Rg采用10Ω的MOSFET驅動電阻，裸機輻射測試結果如下：

2)Rg采用0Ω的驅動電阻，裸機輻射測試結果如下：

從兩種不同的驅動電阻測試結果來看，雖然都能夠通過EN55022的輻射騷擾度的CLASS A等級，但是采用0歐姆的驅動電阻，在水平極化方向測試結果的余量是不足3dB的，該方案設計不能被通過。

3.通過降低吸收電路損耗來減少損耗

在模塊電源的設計過程中，變壓器的漏感總是存在的，采用反激拓撲式結構，往往在MOSFET截止過程中，MOSFET的漏極往往存在著很大的電 壓尖峰，一般情況下，MOSFET的電壓設計余量是足夠承受的，為了提高整體的電源效率，一些電源廠家是沒有增加吸收電路

(吸收電路如圖3標注①RCD吸 收電路和②RC吸收電路)來吸收尖峰電壓的。但是，不注意這些吸收電路的設計往往也是導致EMI設計不合格的主要原因。

1)驅動電阻Rg為27Ω，無RC吸收電路，輻射騷擾度測試結果如下：

2)驅動電阻為27Ω;吸收電路為電阻R和C 5.1Ω 470pF，輻射騷擾度測試結果如下：

從兩種不同的吸收電路方案測試結果來看，不采用吸收電路的方案，是不能通過EN55022輻射騷擾度的CLASS A等級，而采用吸收電路，則可以解決輻射騷擾度實驗不通過的問題，通過不同的RC組合方式可進一步降低輻射騷擾。

四、總結

MOSFET的功耗優(yōu)化工作實際上是一個系統(tǒng)工程，部分優(yōu)化方案甚至會影響EMI的特性變化。上述中，平衡了電源整體效率與EMI特性，從而進一步優(yōu)化了電源參數(shù)。將電源參數(shù)進一步優(yōu)化，更能兼容客戶系統(tǒng)，并發(fā)揮真正的電子 系統(tǒng)“心臟”作用，源源不斷的輸送能量。