理解功率MOSFET的开关损耗
理解功率mosfet的开关损耗
本文详细分析计算开关损耗，并论述实际状态下功率mosfet的开通过程和自然零电压关断的过程，从而使电子工程师知道哪个参数起主导作用并更加深入理解mosfet。
mosfet开关损耗
1 开通过程中mosfet开关损耗
功率mosfet的栅极电荷特性如图1所示。值得注意的是：下面的开通过程对应着buck变换器上管的开通状态，对于下管是0电压开通，因此开关损耗很小，可以忽略不计。
图1 mosfet开关过程中栅极电荷特性
开通过程中，从t0时刻起，栅源极间电容开始充电，栅电压开始上升，栅极电压为
其中：，vgs为pwm栅极驱动器的输出电压，ron为pwm栅极驱动器内部串联导通电阻，ciss为mosfet输入电容，rg为mosfet的栅极电阻。
vgs电压从0增加到开启阈值电压vth前，漏极没有电流流过，时间t1为
vgs电压从vth增加到米勒平台电压vgp的时间t2为
vgs处于米勒平台的时间t3为
t3也可以用下面公式计算：
注意到了米勒平台后，漏极电流达到系统最大电流id，就保持在电路决定的恒定最大值id，漏极电压开始下降，mosfet固有的转移特性使栅极电压和漏极电流保持比例的关系，漏极电流恒定，因此栅极电压也保持恒定，这样栅极电压不变，栅源极间的电容不再流过电流，驱动的电流全部流过米勒电容。过了米勒平台后，mosfet完全导通，栅极电压和漏极电流不再受转移特性的约束，就继续地增大，直到等于驱动电路的电源的电压。
mosfet开通损耗主要发生在t2和t3时间段。下面以一个具体的实例计算。输入电压12v，输出电压3.3v/6a，开关频率350khz，pwm栅极驱动器电压为5v，导通电阻1.5ω，关断的下拉电阻为0.5ω，所用的mosfet为ao4468，具体参数为ciss=955pf，coss=145pf，crss=112pf，rg=0.5ω；当vgs=4.5v，qg=9nc；当vgs=10v，qg=17nc，qgd=4.7nc，qgs=3.4nc；当vgs=5v且id=11.6a，跨导gfs=19s；当vds=vgs且id=250μa，vth=2v；当vgs=4.5v且id=10a，rds(on)=17.4mω。
开通时米勒平台电压vgp：
计算可以得到电感l=4.7μh.，满载时电感的峰峰电流为1.454a，电感的谷点电流为5.273a，峰值电流为6.727a，所以，开通时米勒平台电压vgp=2+5.273/19=2.278v，可以计算得到：
开通过程中产生开关损耗为
开通过程中，crss和米勒平台时间t3成正比，计算可以得出米勒平台所占开通损耗比例为84%，因此米勒电容crss及所对应的qgd在mosfet的开关损耗中起主导作用。ciss=crss+cgs，ciss所对应电荷为qg。对于两个不同的mosfet，两个不同的开关管，即使a管的qg和ciss小于b管的，但如果a管的crss比b管的大得多时，a管的开关损耗就有可能大于b管。因此在实际选取mosfet时，需要优先考虑米勒电容crss的值。
减小驱动电阻可以同时降低t3和t2，从而降低开关损耗，但是过高的开关速度会引起emi的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压，也就是降低阈值开启电压，提高跨导，也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使mosfet容易受到干扰误导通，增大跨导将增加工艺复杂程度和成本。
2 关断过程中mosfet开关损耗
关断的过程如图1所示，分析和上面的过程相同，需注意的就是此时要用pwm驱动器内部的下拉电阻0.5ω和rg串联计算，同时电流要用最大电流即峰值电流6.727a来计算关断的米勒平台电压及相关的时间值：vgp=2+6.727/19=2.354v。
关断过程中产生开关损耗为：
crss一定时，ciss越大，除了对开关损耗有一定的影响，还会影响开通和关断的延时时间，开通延时为图1中的t1和t2，图2中的t8和t9。
图2 断续模式工作波形
coss产生开关损耗与对开关过程的影响
1 coss产生的开关损耗
通常，在mosfet关断的过程中，coss充电，能量将储存在其中。coss同时也影响mosfet关断过程中的电压的上升率dvds/dt，coss越大，dvds/dt就越小，这样引起的emi就越小。反之，coss越小，dvds/dt就越大，就越容易产生emi的问题。
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mosfet开关损耗
1 开通过程中mosfet开关损耗
功率mosfet的栅极电荷特性如图1所示。值得注意的是：下面的开通过程对应着buck变换器上管的开通状态，对于下管是0电压开通，因此开关损耗很小，可以忽略不计。
图1 mosfet开关过程中栅极电荷特性
开通过程中，从t0时刻起，栅源极间电容开始充电，栅电压开始上升，栅极电压为
其中：，vgs为pwm栅极驱动器的输出电压，ron为pwm栅极驱动器内部串联导通电阻，ciss为mosfet输入电容，rg为mosfet的栅极电阻。
vgs电压从0增加到开启阈值电压vth前，漏极没有电流流过，时间t1为
vgs电压从vth增加到米勒平台电压vgp的时间t2为
vgs处于米勒平台的时间t3为
t3也可以用下面公式计算：
注意到了米勒平台后，漏极电流达到系统最大电流id，就保持在电路决定的恒定最大值id，漏极电压开始下降，mosfet固有的转移特性使栅极电压和漏极电流保持比例的关系，漏极电流恒定，因此栅极电压也保持恒定，这样栅极电压不变，栅源极间的电容不再流过电流，驱动的电流全部流过米勒电容。过了米勒平台后，mosfet完全导通，栅极电压和漏极电流不再受转移特性的约束，就继续地增大，直到等于驱动电路的电源的电压。
mosfet开通损耗主要发生在t2和t3时间段。下面以一个具体的实例计算。输入电压12v，输出电压3.3v/6a，开关频率350khz，pwm栅极驱动器电压为5v，导通电阻1.5ω，关断的下拉电阻为0.5ω，所用的mosfet为ao4468，具体参数为ciss=955pf，coss=145pf，crss=112pf，rg=0.5ω；当vgs=4.5v，qg=9nc；当vgs=10v，qg=17nc，qgd=4.7nc，qgs=3.4nc；当vgs=5v且id=11.6a，跨导gfs=19s；当vds=vgs且id=250μa，vth=2v；当vgs=4.5v且id=10a，rds(on)=17.4mω。
开通时米勒平台电压vgp：
计算可以得到电感l=4.7μh.，满载时电感的峰峰电流为1.454a，电感的谷点电流为5.273a，峰值电流为6.727a，所以，开通时米勒平台电压vgp=2+5.273/19=2.278v，可以计算得到：
开通过程中产生开关损耗为
开通过程中，crss和米勒平台时间t3成正比，计算可以得出米勒平台所占开通损耗比例为84%，因此米勒电容crss及所对应的qgd在mosfet的开关损耗中起主导作用。ciss=crss+cgs，ciss所对应电荷为qg。对于两个不同的mosfet，两个不同的开关管，即使a管的qg和ciss小于b管的，但如果a管的crss比b管的大得多时，a管的开关损耗就有可能大于b管。因此在实际选取mosfet时，需要优先考虑米勒电容crss的值。
减小驱动电阻可以同时降低t3和t2，从而降低开关损耗，但是过高的开关速度会引起emi的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压，也就是降低阈值开启电压，提高跨导，也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使mosfet容易受到干扰误导通，增大跨导将增加工艺复杂程度和成本。
2 关断过程中mosfet开关损耗
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