如何在我们的项目中选择合适的 MOSFET 器件

随着为个人计算机 (PC) 应用中的核心 DC-DC 转换器开发的同步降压转换器的开关频率向 1MHz-2MHz 范围移动，MOSFET 损耗变得更高。由于大多数 CPU 需要更高的电流和更低的电压，这一事实变得更加复杂。当我们添加其他控制损耗机制的参数(如电源输入电压和栅极驱动电压)时，我们需要处理更复杂的现象。但这还不是全部，我们还有可能导致损耗显着恶化并因此降低功率转换效率 (ξ) 的次要影响。这些次要影响包括直通损耗和由电容器和指示器等效串联电阻 (ESR) 等寄生电阻引起的损耗，印刷电路板 (PCB) 电阻和电感，最后是 MOSFET 封装寄生电感。其他二次损耗机制是 MOSFET 的电极间电容的充电和放电，例如栅源电容 (Cgs)、米勒栅漏电容 (Cgd) 和漏源电容 (Cgs)。随着频率的升高，由于体二极管反向恢复引起的损耗变得更加明显，必须加以考虑。现在很明显，为同步降压转换器选择 MOSFET 不再是一项简单的工作，需要一种可靠的方法来选择最佳组合，并充分了解所有上述问题。本文将详细讨论所有这些影响，并演示如何进行此类选择。

传导损耗：

这些是由于电流流入 MOSFET Rdson 而导致的器件欧姆损耗。MOSFET M1 和 M2 的损耗可通过以下两个等式计算：

PCHS = 高端 (HS) MOSFET 导通损耗

PCLS= 低端 (LS) MOSFET 导通损耗

Δ = 占空比 ≈ V out / V in

Iload = 负载电流

Rdson = MOSFET 导通电阻

Vin = 电源输入电压

Vout = 输出电压

由于 Δ 和 Iload 由应用决定，因此必须选择尽可能低的 Rdson

动态损耗：

动态损耗是由于切换 HS 和 LS MOSFET 引起的损耗，可以通过以下两个等式计算：

PDHS = HS MOSFET 动态损耗

PDLS = LS MOSFET 动态损耗

tr = 上升时间

tf = 下降时间

fs = DC-DC 转换器开关频率

Vd = 体二极管导通电压

其余参数同上。很明显，我们需要尽量减少 MOSFET 的上升和下降时间。这两个参数取决于米勒电容，通常由栅极-漏极电荷 (Qgd) 表示，其中较低的 Qgd 将导致更快的 MOSFET 开关。

与传导损耗相比，LS MOSFET 中的开关损耗可以忽略不计，因为 Vin 为 12 伏，Vd 约为 1 伏。

在这种情况下，对于 HS MOSFET，我们必须选择 Qgd 尽可能低的器件。这不能独立于 Rdson 来完成，因为它们中的每一个都取决于裸片尺寸。大多数 MOSFET 制造商设计的器件能够满足 HS 或 LS MOSFET 的需求，实际上在开关速度和 MOSFET 导通电阻(即 Qgd 和低 Rdson)的需求之间取得了折衷。

反向回收损失：

另一个损失机制是由于身体二极管反向恢复而造成的损失。这是由于HS MOSFET打开到身体二极管。体二极管需要有限的时间来关闭，在此期间，HS MOSFET有损失。

同样，这个损耗机制依赖于开关频率fs，因为它是开关损耗的一种形式。虽然反向恢复是由于LS MOSFET阀体二极管，但损失发生在HS MOSFET中。

这里的选择标准是为LS MOSFET获得最低可能的Qrr和正确的Rdson结合。

击穿损耗：

如果 LS MOSFET 被栅极驱动器保持关闭并且 HS MOSFET 正在开启，则会遇到击穿损耗。在转换期间，栅极-漏极电容器通过由 Cgd 和 Rg//Cgs 组成的分压器将漏极电压耦合到栅极。如果此耦合电压大于栅极阈值电压 Vgth，则 LS MOSFET 将打开，从而为电流流过 HS 和 LS MOSFET 形成低阻抗路径，从而导致过度损耗。

Vg (t) = 栅极电压

a = 漏极电压的压摆率

Rg = 包括栅极驱动器在内的总栅极电阻

Cgs = 栅极到源极电容

Cgd = 栅极到漏极电容

显然，Cgd 越大，耦合电压越大。

上式代表了无交叉传导的理论最坏情况。如果 MOSFET 在最坏情况参数分布(即最小 Cgs、最大 Cgd 和最小 Vgth)下满足此条件，则在任何应用中都不应观察到交叉传导

图 5 显示了示波器图片，上面的迹线是 LS MOSFET 漏极电压，下面的迹线是 LS MOSFET 栅极电压。如果观察到的 LS MOSFET(绿色迹线)的栅极电压达到电压 > Vgth，则我们已经击穿，并且 ζ 损失。理想情况下，我们需要数百毫伏的尖峰。下部迹线是穿透的典型指纹，允许我们通过测量栅极到源极电压来识别问题

栅极电感效应：

栅极驱动电路的电路布局对于 MOSFET 的正确开关至关重要。图 6 是 Z 轴上的栅极电压、Y 轴上的栅极电感和 X 轴上的时间的 3D 表示。该图显示了栅极引线电感对波形的巨大影响。栅极电压振铃可能会导致不稳定的开关，从而导致效率 ζ 损失和电磁辐射增加。栅极引线电感必须尽可能短以避免这种影响。

最佳栅极驱动电压：

栅极驱动电压幅度通过以下方式控制 MOSFET 的开关性能：

· 更高的栅极驱动电压意味着更高的电容器充电和放电损耗，由 P closs = CXV 2 X fs给出

· 更高的驱动电压意味着更低的 Rdson，因此更低的功耗和更高的 ζ 。

· 栅极电压幅度也会影响 MOSFET 的上升和下降时间。

存在将满足所有上述条件并产生最高 ζ 的最佳栅极驱动幅度。这可以通过使用不同电压幅度的实验来确定，以确定最佳性能点。图 7 显示了 Z 轴上的最佳栅极驱动电压的 3D 图，它是基于问题的数学解法的 X 轴上的漏极电流和 Y 轴上的开关频率的函数。很明显，栅极驱动电压不得超过数据表推荐的高可靠性运行水平。

最佳电源输入电压：

PC 市场 DC-DC 转换器的电源输入电压的行业标准是 12Volt，但它是最佳水平吗?为了帮助我们回答这个问题，让我们看看输入电压对 ζ 的影响如下：

· 较高的电源输入电压清楚地转化为来自电源的较少电源电流，因此对于 AC-DC 转换器(银盒)具有较高的 ζ

· 更高的电源输入电压意味着 HS MOSFET 中的更高动态损耗

· 较高的电源输入电压意味着由于其占空比增加，LS MOSFET 中的传导损耗较高

最佳输入电压可以通过实验或数学方法得出。图 8 在 Z 轴上显示了最佳输入电压的 3D 表示，它是 Y 轴上的负载电流和 X 轴上的开关频率的函数。

电源输入电压电平由 PC 市场的行业标准决定。如果我们正在设计一个两级隔离式 DC-DC 转换器，那么在为我们的特定应用确定最佳中间电压时考虑这一点是值得的。

设备包：

为我们的应用程序选择设备时，我们可以控制的另一个参数是包。最流行的功率 MOSFET 封装是 SO8、DPAK 和 D2PAK 等。最重要的封装参数是：

· 封装热阻。这明显限制了功耗并控制了封装中的散热方案。应始终寻求尽可能小的热阻

· 封装寄生电感对从 MOSFET 获得的开关速度有显着影响，最终影响动态损耗。最小的寄生电感提供最快的开关时间

· 封装寄生电阻。该参数通常隐藏在 Rdson 值中。

给定应用的最佳封装应具有最低的寄生参数和热阻，同时满足指定要求

最佳操作条件：

Maple 计算软件的使用提供了一个非常令人兴奋和有效的工具来研究和理解物理现象，例如功率电路中的 MOSFET 开关。基于上述，我们可以说开关频率、栅极驱动和电源输入电压以及电路布局的基本选择会极大地影响 MOSFET 开关器件的损耗，从而影响整体转换器效率 ζ。必须做出这些选择以尽量减少这些损失。