大功率電源MOS管開關損耗分析

    在現代科技的環境下，傳統的電源設計方案已經無法再滿足人們的需要。因此功率更為強大的大功率電源開始成為設計者們的新寵。但是在應用過程中大功率電源也遇到了這樣或那樣的問題，本文就將針對大功率電源MOSFET功率耗散中的開關損耗問題進行分析。

 

    對於除最大負載外的所有負載，在開、關過程中，同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過捕獲黄瓜视频污污箝製。因此，同步整流器沒有引致開關損耗，使其功率耗散易於計算。需要考慮隻是電阻耗散。

 

    最壞情況下損耗發生在同步整流器負載係數最大時，即在輸入電壓為最大值時。通過使用同步整流器的RDS（ON）HOT和負載係數以及歐姆定律，就可以計算出功率耗散的近似值：

 

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

 

    開關MOSFET的耗散

 

    開關MOSFET電阻損耗的計算與同步整流器的計算相仿，采用其（不同的）負載係數和RDS（ON）HOT：

 

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

 

    由於它依賴於許多難以定量且通常不在規格參數範圍、對開關產生影響的因素，開關MOSFET的開關損耗計算較為困難。在下麵的公式中采用粗略的近似值作為評估一個MOSFET的第一步，並在以後在實驗室內對其性能進行驗證：

 

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

 

    其中CRSS為MOSFET的反向轉換電容（一個性能參數），fSW為開關頻率，而IGATE為MOSFET的啟動閾值處（柵極充電曲線平直部分的VGS）的MOSFET柵極驅動的吸收電流和的源極電流。

 

    一旦根據成本（MOSFET的成本是它所屬於那一代產品的非常重要的功能）將選擇範圍縮小到特定的某一代MOSFET，那一代產品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關損耗的型號。若采用更小（更快）的器件，則電阻損耗的增加幅度大於開關損耗的減小幅度;而采用更大（RDS（ON）低）的器件中，則開關損耗的增加幅度大於電阻損耗的減小幅度。

 

   如果VIN是變化的，必須同時計算在VIN（MAX）和VIN（MIN）處的開關MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個函數的和：在VIN（MIN）（較高的負載係數）處達到最大的電阻耗散，和在VIN（MAX）（由於VIN2的影響）處達到最大的開關耗散。最理想的選擇略等於在VIN極值的耗散，它平衡了VIN範圍內的電阻耗散和開關耗散。

 

   如果在VIN（MIN）處的耗散明顯較高，電阻損耗為主。在這種情況下，可以考慮采用較大的開關MOSFET，或並聯多個以達到較低的RDS（ON）值。但如果在VIN（MAX）處的耗散明顯較高，則可以考慮減小開關MOSFET的尺寸（如果采用多個器件，或者可以去掉MOSFET）以使其可以更快地開關。

 

   如果所述電阻和開關損耗平衡但還是太高，有幾個處理方式：

 

   改變題目設定。例如，重新設定輸入電壓範圍;改變開關頻率，可以降低開關損耗，且可能使更大、更低的RDS（ON）值的開關MOSFET成為可能;增大柵極驅動電流，降低開關損耗。MOSFET自身最終限製了柵極驅動電流的內部柵極電阻，實際上局限了這一方案;采用可以更快同時開關並具有更低RDS（ON）值和更低的柵極電阻的改進的MOSFET技術。

 

   由於實際操作中的元器件選擇數量範圍存在限製，當超出特定的點時，就無法完全的對MOSFET尺寸進行精確的調整，因此MOSFET在最壞的情況下必須被耗散。可見耗散情況的好壞關係到大功率電源的性能，因此需要引起足夠的重視。