如何降低MOSFET損耗？詳細(xì)分享-KIA MOS管

信息來源：本站　日期：2022-11-29　

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如何降低MOSFET損耗？詳細(xì)分享-KIA MOS管

功率MOSFET應(yīng)用中，功率損耗將導(dǎo)致熱產(chǎn)生，主要由通態(tài)損耗、開關(guān)損耗組成，這也是工程師在應(yīng)用中主要針對優(yōu)化的地方。功率損耗的降低，可以從硬件、軟件兩個(gè)層面著手。本文先聊聊硬件層面的降損耗方案。

以下組成損耗的8個(gè)部分∶

1、導(dǎo)通功率損耗;

2、截止功率損耗;

3、開啟過程功率損耗;

4、關(guān)斷過程功率損耗;

5、驅(qū)動(dòng)功率損耗;

6、Coss電容泄放損耗;

7、寄生二極管正向?qū)〒p耗

8、寄生二極管反向恢復(fù)損耗

針對前文提到的8個(gè)損耗組成部分，逐一探討硬件層面降低損耗的可行性。

1、導(dǎo)通功率損耗

導(dǎo)通功率損耗主要來源于功率電流在通態(tài)電阻Rds（（on）上產(chǎn)生的熱。

從公式來看，漏極電流IDS和溫度系數(shù)K不變的前提下，降低通態(tài)損耗的方式/只有降低通態(tài)電阻Rds（on）和減小占空比。

電機(jī)控制中，占空比改變影響轉(zhuǎn)矩輸出，這涉及控制性能，需要綜合考量，這里關(guān)注通態(tài)電阻的減小。

功率MOSFET的損耗文章會(huì)提到，通態(tài)電阻Rds（on）受溫度和載流子濃度影響。

可以從兩方面來降低通態(tài)電阻∶

A、優(yōu)化器件本身的設(shè)計(jì)及工藝;

B、優(yōu)化外部散熱。

相比于VDMOS，Trench MOSFET擁有更低的導(dǎo)通電阻、更大的導(dǎo)通電流和更快的開關(guān)速度，在中低壓領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

導(dǎo)通電阻與芯片面積成反比，但增加芯片面積降低導(dǎo)阻，成本的提升往往是商業(yè)類產(chǎn)品不能允許的;而引入少數(shù)載流子導(dǎo)電，可以降低導(dǎo)通壓降，但開關(guān)速度將受影響且出現(xiàn)拖尾電流、開關(guān)損耗增加。

所以針對Rds（on）的優(yōu)化，建議一般從如下兩個(gè)方面優(yōu)化∶在設(shè)計(jì)選型階段，綜合考量的情況下，盡量選擇小的Rds（on）的MOSFET;注重散熱器的設(shè)計(jì)，完全導(dǎo)通狀態(tài)下，Rds（on）為正溫度系數(shù)。

2、截止功率損耗

截止損耗來源于漏電流IDSS造成的損耗，先了解漏電流如何產(chǎn)生。根據(jù)PN結(jié)的伏安特性曲線，當(dāng)加反向電壓時(shí)，在第三象限，有一段不隨電壓變化的電流段（溫度不變的情況下），該段即為PN結(jié)的反向飽和電流。

根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)，漏源之間是兩個(gè)PN結(jié)，那么就不可避免出現(xiàn)反向飽和電流的情況，也就產(chǎn)生所說的漏電流。

從上文PN結(jié)的伏安特性曲線可知，在一定范圍內(nèi)，飽和漏電流的大小與電壓無關(guān)，與溫度相關(guān)。所以針對截止功率損耗，可以在MOS選型階段，關(guān)注反向飽和漏電流這一指標(biāo)。

另一方面，溫度對其影響較大，所以保證系統(tǒng)在停機(jī)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，熱量能夠散出，就幾乎能夠忽略該損耗了。

3、開啟過程功率損耗

開啟過程損耗是由于MOSFET開啟過程中逐漸下降的漏源電壓VDS與逐漸上升的漏源電流IDS交叉重疊部分造成的能量損耗。

從波形來尋找降低損耗的方法，即減小交匯處的面積Poff-on!

應(yīng)用中可以通過如下方式優(yōu)化∶

1）調(diào)節(jié)開通速度

提到開通損耗降低，開啟速度往往會(huì)成為大家首先調(diào)節(jié)的對象。降低門極驅(qū)動(dòng)電阻，減小門極電容是最直接有效的方式。另一方面，保證驅(qū)動(dòng)電壓在額定范圍內(nèi)，越高開通速度越快。

需要注意的是過快的開通，會(huì)導(dǎo)致電流的快速上升，由于雜散電感的存在，會(huì)產(chǎn)生較高的電壓尖峰，從而損壞器件，所以需要綜合考量開通速度。

2）軟開啟電路

軟開啟電路主要是錯(cuò)開電壓和電流峰值交匯，讓電流升高到較高值之前，電壓值已經(jīng)/快要降低到0V了，通過適配電路，實(shí)現(xiàn)ZVS a（零電壓開通）、ZCS（零電流開通）

針對開通階段的ZVS與ZCS，需要關(guān)注以下問題∶

零電流開通∶

零電流開通主要是利用DCM模式下，電感電流不能突變，從而實(shí)現(xiàn)MOS開通時(shí)漏極電感電流為零。但是零電流開通不能消除漏極電荷損耗。在CCM模式下，零電流開通必須要通過輔助開關(guān)來實(shí)現(xiàn)（至少兩個(gè)開關(guān)協(xié)同工作）。

零電壓開通∶

零電壓開通主要通過輔助電路將Cds+Cgd上的電荷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移走，從而消除開通損耗和"漏極電荷損耗。

LLC諧振∶

LLC諧振軟開關(guān)是傳統(tǒng)軟開關(guān)的最佳實(shí)踐，通過幾個(gè)開關(guān)之間的協(xié)作，以及增加輔助電感和電容，達(dá)到MOS的零電壓開關(guān)，從而基本消除了了開關(guān)損耗和漏極電荷損耗。

但是不可避免的，為實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷需要在漏源之間并聯(lián)很大的電容來吸收關(guān)斷電流，從而在/大電流應(yīng)用中導(dǎo)致巨大的能量在輔助電感和輔助電容組成的網(wǎng)絡(luò)中震蕩。

由于電源滿載與/輕載時(shí)漏極存儲(chǔ)的電荷量不同，所以為了滿足固定的諧振頻率，PWM控生器必須變頻工作。

4、關(guān)斷過程功率損耗

關(guān)斷過程損耗是由于MOSFET關(guān)斷過程中逐漸下降的漏源電流IDS與逐漸上升的漏源電壓VDS 交叉重疊部分造成的能量損耗。

從波形來尋找降低關(guān)斷損耗的方法，也是減小交匯處的面積PoN oFF!且波形類似，所以優(yōu)化方式也相同，即∶

1）調(diào)節(jié)關(guān)斷速度

2）軟關(guān)斷電路

關(guān)斷速度的調(diào)節(jié)同開通速度的調(diào)節(jié)一樣，主要從門極的驅(qū)動(dòng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電源等方面優(yōu)化。而針對關(guān)斷階段的ZVS與ZCS，需要關(guān)注以下問題∶

零電壓關(guān)斷

零電壓關(guān)斷主要是利用電容電壓不能突變的特性，將MOS管上的電流轉(zhuǎn)移到Cds中去，從而保證MOS電流為零時(shí)Vds仍然保持一個(gè)比較低的值，降低關(guān)斷損耗。

但是這帶來一個(gè)問題，在大電流情況下為鉗位Vds必須保證Cds足夠大，而過大的Cds實(shí)際上是將關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移。到漏極電荷損耗中。

零電流關(guān)斷∶

通常MOS的零電流關(guān)斷不容易很直觀的實(shí)現(xiàn)，除非事先將MOS上的電流轉(zhuǎn)移到其他的地方（通常需要輔助開關(guān)協(xié)同實(shí)現(xiàn)）。事實(shí)上，零電壓關(guān)斷最終也會(huì)達(dá)成零電流關(guān)斷（相當(dāng)于MOS上的電流被轉(zhuǎn)移到Cds中了）

如果使用了輔助開關(guān)，則需要注意MOSFET的誤導(dǎo)通問題。

5、驅(qū)動(dòng)功率損耗

如右圖所示，為常見的驅(qū)動(dòng)回路電路。驅(qū)動(dòng)損耗，指柵極接受驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)造成的損耗。

驅(qū)動(dòng)方式不一致，驅(qū)動(dòng)效率則會(huì)存在差/異，同樣的驅(qū)動(dòng)輸出功率條件下，造成的損耗。也會(huì)不同。如下的計(jì)算公式則得出了同一器件應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率損耗的最大值∶

PGS= VGSQgfs

根據(jù)公式尋找降低其損耗方式，需要在設(shè)計(jì)階段，關(guān)注三個(gè)變量∶

1）器件的Qg值;

2）驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定;

3）工作頻率。

需要注意，不能為降低損耗，選擇較小的參數(shù)，否則會(huì)對系統(tǒng)其他性能產(chǎn)生影響。比如驅(qū)動(dòng)電壓VGS這一參數(shù)，數(shù)值偏小，只要高于閾值電壓，器件仍能導(dǎo)通，但是卻可能使器件工作于半導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)通態(tài)損耗會(huì)很大，影響系統(tǒng)性能。若選型’時(shí)，選擇Qg較小的器件，則會(huì)導(dǎo)致器件更容易達(dá)到開啟條件，誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)增加。

一般來說驅(qū)動(dòng)損耗不會(huì)太大，設(shè)計(jì)時(shí)不用刻意減小它而影響其他性能，如果一定需要優(yōu)化，最好/的思路是提升驅(qū)動(dòng)效率。因?yàn)閳D騰柱驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)、變壓器隔離驅(qū)動(dòng)效率是不同的，因而驅(qū)動(dòng)損耗（即驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱）是不同的。不同的驅(qū)動(dòng)IC、不同的設(shè)計(jì)水平是不同的，也會(huì)針對該損耗有優(yōu)化的可能。

6、Coss電容泄放損耗

指輸出電容Coss在MOSFET截止期間存儲(chǔ)的電場能，在MOSFET導(dǎo)通期間，在漏源極上的泄放損耗。

實(shí)際過程中，由于Coss影響，大部分電流從MOSFET中流過，流過Coss的非常小，甚至可以忽略不計(jì)，因此Coss的充電速度非常慢，電流VDS上升的速率也非常慢。即∶

因?yàn)镃oss的存在，在關(guān)斷的過程中，由于電容電壓不能突變，因此VDS的電壓一直維持在較低的電壓，功率損耗很小。

因?yàn)镃oss的存在，在開啟的過程中，電容電壓不能突變，因此VDS的電壓一直維持在較高的電壓，實(shí)際的功率損耗很大。

Coss泄放損耗計(jì)算公式為∶

PDS=1/2VDS2Cossfs

Coss放電產(chǎn)生的損耗主要在開通階段，和容值、頻率成正比，和電壓的平方成正比。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中，Coss對應(yīng)產(chǎn)生的功耗就是Eoss。

應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向主要還是從Coss電容入手。其由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd組成，但一般很難優(yōu)化Cgd，因?yàn)槠渫谀K或單管成型時(shí)就已經(jīng)成定直了，且還與Cgs構(gòu)成Ciss輸入電容，對其改變會(huì)影響米勒平臺(tái)的情況。

所以主要是針對Cds做優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際測試效果，選擇并聯(lián)合適的Cds電容，既不能為了吸收尖峰而并聯(lián)過大的Cds，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)的能量在開通階段會(huì)大/量釋放，導(dǎo)致?lián)p耗增加，甚至導(dǎo)致諧振，影響正常的性能。也不能為了減小損/想耗，而過于減小電容，否則電壓尖峰將會(huì)很頭疼。需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境找到最A(yù)優(yōu)值。

7、寄生二極管正向?qū)〒p耗

寄生二極管正向?qū)〒p耗不可忽視，特別是在大電流應(yīng)用環(huán)境中，該損耗必須嚴(yán)格把控。

此處損耗主要發(fā)生在功率器件續(xù)流期間。

計(jì)算公式如下∶

Pd_f=IF"VDFt3*fs

IF為二極管正向電流，VDF為二極管正向?qū)▔航担瑃3為二極管正向續(xù)流時(shí)間。

從應(yīng)用層面考慮，主要從VDF優(yōu)化該損耗，在設(shè)計(jì)選型階段，選擇VDF低的器件。

另外可以外部搭建電路，即不使用模塊寄生二極管續(xù)流，外部加電路，使用外部二極管續(xù)流，使續(xù)流階段產(chǎn)生的損耗不疊加到功率器件上，從而提升器件的使用性能。

由于D2的存在，將會(huì)使導(dǎo)通損耗增加，雖然增加的損耗也并未疊加到MOSFET上，但整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)因此降低，且D1、D2的選型及散熱處理會(huì)比較費(fèi)腦筋，只推薦在部分應(yīng)用場景中使用該電路。

8、寄生二極管反向恢復(fù)損耗ve

反向恢復(fù)就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷耗盡，恢復(fù)成截止?fàn)顟B(tài)的過程。完成該過程需要的能量便是損耗的構(gòu)成。

右圖所示為反向恢復(fù)階段電流的功率器件內(nèi)電流的方向，Irss即為反向恢復(fù)電流，此階段流過下橋的電流為電感電流與上橋反向恢復(fù)電流之和。表現(xiàn)到下橋的電流波形，則是會(huì)在下橋開啟處，出現(xiàn)一個(gè)電流尖峰。其大小受開啟速度影響。此處主要優(yōu)化的是Irss變?yōu)?之前其造成的損耗。

反向恢復(fù)過程有一個(gè)參數(shù)尤為關(guān)鍵∶trr（反向恢復(fù)時(shí)間）。其影響功率MOSFET的安全工作區(qū)。

反向恢復(fù)時(shí)間過長，將導(dǎo)致反向恢復(fù)損耗增大，更為嚴(yán)重的影響是影響工作頻率，因?yàn)闀r(shí)間過長，導(dǎo)致預(yù)留的死區(qū)必須更大，才能保證安全。

反向恢復(fù)時(shí)間過短，則額定電流下，di/dt會(huì)變得很大，由于雜感存在，會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)階段產(chǎn)生很高的尖峰，從而損壞器件。

針對反向恢復(fù)階段的損耗，可以從以下三個(gè)方面來優(yōu)化∶

1）控制合適的開關(guān)速度來控制反向恢復(fù)時(shí)間以降低損耗及使器件工作在安全區(qū)域;2）同時(shí)優(yōu)化布線，減少雜感，可以對損耗降低起很大的作用。

）當(dāng)前面兩種辦法優(yōu)化后，還需要優(yōu)化的時(shí)候，建議選擇恢復(fù)特性較軟的MOSFET。

總結(jié)

要給功率MOSFET降溫，減少其損耗，經(jīng)過前文探討，硬件降溫主要分為應(yīng)用層面和MOSFET產(chǎn)品兩個(gè)層面去優(yōu)化∶

1、MOSFET產(chǎn)品層面∶

1）降低Rds（on）;

2）優(yōu)化寄生電容Cgd;

3）優(yōu)化寄生二極管導(dǎo)通壓降;