MOSFET开关损耗简介

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的工作可以归结为两种基本模式：线性模式和开关模式。线性模式：在这种模式下，MOSFET的栅极至源极电压达到了一定的水平，使得电流能够顺利地流过沟道。但此时，沟道电阻相对较高，意味着沟道两端的电压和流过沟道的电流都会比较大。因此，这种模式下晶体管中的功率耗散会相对较高，不利于高效能应用。开关模式：开关模式是MOSFET更为常用的工作模式。在这种模式下，栅极至源极电压要么被控制得极低，几乎阻止电流流动；要么被提升至足够高的水平，使FET处于“完全增强”状态。此时，沟道电阻会大大降低，电流可以顺畅地流过，而功率耗散则变得极低或适中。在这种状态下，MOSFET就像是一个高效的开关：当开关处于断开状态时，电流几乎为零，因此几乎没有功率损耗；而当开关完全处于闭合状态时，由于沟道电阻极小，即使大电流流过，功率损耗也非常小。由于开关模式的高效率特性，它被广泛应用于各种场景中，如数字CMOS电路、电源供应和D类放大器等。然而，在实际应用中，MOSFET的开关操作并非完全理想，会涉及到一些非预期的功率耗散。接下来，我们将讨论三种主要的非预期功率耗散类型，这些类型在选择元件和布局电路板时需要特别考虑。

传导损耗。
开关损耗。
栅极电荷损耗。

传导损耗

传导损耗是电流流过MOSFET沟道中的非零电阻时耗散的功率。一个完全增强的MOSFET的漏极至源极电阻用RDS(on)表示。

图1来自Onsemi公司NDS351AN MOSFET的数据手册，展示了随着栅极至源极电压的增加，沟道电阻如何降低。完全增强状态对应于曲线中斜率较低的部分。

图1

瞬时传导损耗（PC）可以使用电功率的标准公式之一来计算，具体公式为：

其中ID是FET的漏极至源极电流。

我们还可以使用RMS（均方根）电流而不是瞬时电流来计算时间平均传导损耗：

由于我们考虑到实际应用中MOSFET的电流流动大小是由需求来决定的，所以减少传导损耗的关键在于降低RDS(on)。首先，这需要我们精心挑选合适的元件——现在市面上有些FET，像碳化硅和氮化镓这种，它们的RDS(on)值非常低，能很好地满足这一要求。除了元件的选择，我们还需要确保工作条件以及周围的电路配置都有助于FET实现最低的沟道电阻。在需要大电流的情况下，哪怕只是欧姆值的微小变化都可能产生显著影响，就像在图2中的降压转换器中展示的那样。

图2开关损耗

在开关模式工作的描述中，MOSFET要么是完全导通状态，要么是完全截止状态。但更贴近实际的情况是，这两种状态之间的转换并不是一蹴而就的。相反，FET在每次切换时都会短暂地进入高功率耗散的线性工作区。这就会引发第二种损耗，我们称之为开关损耗。

由于开关状态的转换是一个动态过程，期间沟道电阻会不断发生变化，因此计算开关损耗并不简单。ROHM Semiconductor一份应用指南中提供了一个建议的公式（3），用于计算开关损耗。

这个公式表明，开关损耗（PSW）取决于以下几个因素：

驱动FET开关电流所需的电压（VIN）。FET的漏极电流（ID）。开关波形的上升和下降时间（tR和tF）。开关频率（fSW）。

栅极电荷损耗

所有MOSFET都有一个绝缘层，它阻止电流通过栅极端子——这也是它们与其他类型场效应晶体管之间的区别之一。然而，严格来说，这种绝缘层仅阻挡稳态电流。如图3所示，MOSFET的绝缘栅是一个电容结构；因此，在栅极电容完全充电或放电之前，瞬态电流会在栅极驱动电路中流动。

图3

这实际上是开关模式MOSFET的又一能量损耗来源。当我们要开启或关闭FET时，需要改变栅极电压，而在这个过程中，由于瞬态电流流过寄生电阻，就会产生能量损耗。

栅极充电损耗（PGC）的计算公式见公式（4）。

其中：QG 表示FET所需的总栅极电荷VGS 是栅极与源极之间的电压fSW 是开关频率。公式（4）让我们得出一个关键发现。如果一个MOSFET需要更高的栅极电荷，那么它的效率就会降低。因此，设计师们需要权衡利弊：增大栅极面积有助于降低RDS(on)，从而减少传导损耗，但栅极面积的增大也会使QG增加，进而增加栅极充电损耗。