Buck變換器MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程分析與損耗計(jì)算

前言：為了方便理解MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程及其損耗，以Buck變換器為研究對(duì)象進(jìn)行說(shuō)明（注：僅限于對(duì)MOSFET及其驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分析，不涉及二極管反向恢復(fù)等損耗。）

1Buck Converter

圖1所示為Buck變換器拓?fù)?，其中Cin用于減小主功率電路的AC Loop，實(shí)際使用視Layout情況決定是否需要添加。

圖1 Buck變換器拓?fù)?/p>

2MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)序

圖2所示為MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)序及相應(yīng)VGS，IGS，VDS和IDS波形，其中：

QGS1：VDS下降之前MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通所需的電荷量。

QGS2：VDS下降之前MOSFET的柵極電壓從閾值電壓VGS(th)升到Miller平臺(tái)電壓VGS(miller)所需的電荷量。

QGD：VDS開(kāi)始下降階段為MOSFET反饋電容CGD充電所需電荷量。
QSW：VGS從到達(dá)閾值電壓VGS(th)開(kāi)始直到Miller平臺(tái)結(jié)束時(shí)柵極電容中的電荷量。

輸入電容：Ciss=CGS+CGD（CDS=0）；

輸出電容：Coss=CGD+CDS（CGS=0）；

反饋電容（反向傳輸電容）：Crss=CGD。

CGS和CGD主要由柵極結(jié)構(gòu)決定，CDS由垂直PN結(jié)的電容決定。

圖2 MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)序

3驅(qū)動(dòng)電路等效框圖

圖3所示為MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的等效框圖，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，所需的柵極電荷均會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗（RGHO和RGLO）、外部柵極電阻RG以及MOSFET內(nèi)部柵極網(wǎng)狀電阻RGHI。柵極電阻功率損耗與通過(guò)電阻傳輸電荷速度的快慢無(wú)關(guān)。

主要結(jié)合圖2和圖3將MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程各分為4個(gè)階段進(jìn)行分析并計(jì)算相關(guān)損耗。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路等效框圖

1．開(kāi)通過(guò)程。

第①階段：0~t0。此階段VGS電平從0開(kāi)始上升至閾值電壓VGS(th)，柵極電流IG主要給MOSFET的QGS1充電，極少部分流經(jīng)QGD。此過(guò)程中VDS和IDS維持上個(gè)狀態(tài)（VDS==Vin，IDS=0）不變，故可稱為為開(kāi)通延時(shí)。

第②階段：t0~t1。當(dāng)t=t0時(shí)，MOSFET開(kāi)始通流。IG持續(xù)流入QGS2和QGD中，VGS電壓逐漸升高直至t1時(shí)刻達(dá)到Miller平臺(tái)電壓VGS(miller)。與之伴隨的是IDS也逐漸增大至最高，但VDS依舊為高電平。因?yàn)镮DS與VGS成正相關(guān)，所以此階段為MOSFET的線性區(qū)。

將第②階段中IG、VDS和IDS波形進(jìn)行線性近似，則柵極驅(qū)動(dòng)電流IG_②和所需時(shí)間T②=t1-t0分別為：

與此對(duì)應(yīng)的開(kāi)通所耗能量E②為：

第③階段：t1~t2。此階段為Miller平臺(tái)的維持時(shí)間段，柵極電荷持續(xù)被充電使得VGS電壓穩(wěn)定保持在VGS(miller)，因此其具有足夠的能量使MOSFET承載完整的通態(tài)電流。在此階段大量的IG被轉(zhuǎn)移給QGD充電，使VDS快速下降。柵極驅(qū)動(dòng)電流IG_③和所需時(shí)間T③=t2-t1分別為：

與此對(duì)應(yīng)的開(kāi)通所耗能量E③為：

以上可得整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗PSW約為：

注：MOSFET的開(kāi)通或關(guān)斷需要對(duì)Ciss進(jìn)行充電或放電，當(dāng)電容上的電壓發(fā)生變化時(shí)，與之反映的是電荷數(shù)量的轉(zhuǎn)移，柵極電壓和所需電荷數(shù)量的關(guān)系一般可由datasheet中的柵極電荷與柵源電壓曲線獲得。柵極電荷是柵極驅(qū)動(dòng)電壓的函數(shù)，VDS最高電壓會(huì)影響Miller平臺(tái)電荷，從而影響整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)所需的總柵極電荷。

第④階段：t2~t4。此階段中柵極電流IG通過(guò)對(duì)CGS和CGD充電（兩者分流），使得VGS從Miller平臺(tái)電壓逐漸上升至最終驅(qū)動(dòng)電壓VGS(actual)，其最終電平?jīng)Q定了開(kāi)通期間的最終導(dǎo)通電阻RDS(on)。此階段ID依然保持恒定，但是由于RDS(on)的下降，VDS略有降低（VDS=IDS*RDS(on)）。RDS(on)與驅(qū)動(dòng)電壓和溫度關(guān)系如圖4所示。

可得開(kāi)通階段的驅(qū)動(dòng)器損耗PDRV_ON為：

Buck變換器的MOSFET IDS(RMS)為：

則通態(tài)PCON損耗為：

圖4RDS(on)曲線圖

2．關(guān)斷過(guò)程。

第①階段：t5~t7。Ciss電容放電，使得VGS電平從驅(qū)動(dòng)電壓VGS(actual)降至Miller平臺(tái)電壓VGS(miller)。此階段柵極電流IG由Ciss自身提供，而非驅(qū)動(dòng)器提供。IG流經(jīng)CGS和CGD回到驅(qū)動(dòng)器。隨著驅(qū)動(dòng)電壓降低，RDS(on)增大，VDS略有上升，IDS保持不變。

第②階段：t7~t8。此階段與Miller平臺(tái)階段所對(duì)應(yīng)，柵極電流IG為CGD的充電電流，因此VGS是保持恒定的。柵極電流由功率級(jí)旁路電容提供，并從IDS中減去，總IDS仍然等于負(fù)載電流。VDS從IDS*RDS(on)上升到最大電壓Vin。

第③階段：t8~t9。柵極電壓繼續(xù)從Miller平臺(tái)電壓VGS(miller)下降到閾值電壓VGS(th)，絕大部分柵極電流IG來(lái)自于CGS，因?yàn)镃GD在前一個(gè)階段就被反向充滿電了。此階段結(jié)束時(shí)，MOSFET又處在線性區(qū)，VGS下降導(dǎo)致IDS減小接近于0。

第④階段：t9~t10。此階段對(duì)Ciss完全放電，VGS進(jìn)一步下降直至為0。與前一階段類似，柵極電流的大部分電流由CGS提供。MOSFET的VDS和IDS保持不變。

可得關(guān)斷階段的驅(qū)動(dòng)器損耗為：

以上可得整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的驅(qū)動(dòng)器損耗PDRV約為：

需要強(qiáng)調(diào)的是，柵極驅(qū)動(dòng)器的最重要特性在于處在Miller平臺(tái)區(qū)時(shí)的拉電流及灌電流能力。

此外，MOSFET的輸出電容損耗PCoss為：

至此，MOSFET在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)相關(guān)損耗Ploss為：