Buck变换器MOSFET开关过程分析与损耗计算
前言：为了方便理解mosfet的开关过程及其损耗，以buck变换器为研究对象进行说明（注：仅限于对mosfet及其驱动进行分析，不涉及二极管反向恢复等损耗。）
1buck converter
图1所示为buck变换器拓扑，其中cin用于减小主功率电路的ac loop，实际使用视layout情况决定是否需要添加。
图1 buck变换器拓扑
2mosfet开关时序
图2所示为mosfet的开关时序及相应vgs，igs，vds和ids波形，其中：
qgs1：vds下降之前mosfet开始导通所需的电荷量。
qgs2：vds下降之前mosfet的栅极电压从阈值电压vgs(th)升到miller平台电压vgs(miller)所需的电荷量。
qgd：vds开始下降阶段为mosfet反馈电容cgd充电所需电荷量。
qsw：vgs从到达阈值电压vgs(th)开始直到miller平台结束时栅极电容中的电荷量。
输入电容：ciss=cgs+cgd（cds=0）；
输出电容：coss=cgd+cds（cgs=0）；
反馈电容（反向传输电容）：crss=cgd。
cgs和cgd主要由栅极结构决定，cds由垂直pn结的电容决定。
图2 mosfet开关时序
3驱动电路等效框图
图3所示为mosfet驱动电路的等效框图，在每个开关周期中，所需的栅极电荷均会通过驱动器输出阻抗（rgho和rglo）、外部栅极电阻rg以及mosfet内部栅极网状电阻rghi。栅极电阻功率损耗与通过电阻传输电荷速度的快慢无关。
主要结合图2和图3将mosfet开通和关断过程各分为4个阶段进行分析并计算相关损耗。
图3 驱动电路等效框图
1．开通过程。
第①阶段：0~t0。此阶段vgs电平从0开始上升至阈值电压vgs(th)，栅极电流ig主要给mosfet的qgs1充电，极少部分流经qgd。此过程中vds和ids维持上个状态（vds==vin，ids=0）不变，故可称为为开通延时。
第②阶段：t0~t1。当t=t0时，mosfet开始通流。ig持续流入qgs2和qgd中，vgs电压逐渐升高直至t1时刻达到miller平台电压vgs(miller)。与之伴随的是ids也逐渐增大至最高，但vds依旧为高电平。因为ids与vgs成正相关，所以此阶段为mosfet的线性区。
将第②阶段中ig、vds和ids波形进行线性近似，则栅极驱动电流ig_②和所需时间t②=t1-t0分别为：
与此对应的开通所耗能量e②为：
第③阶段：t1~t2。此阶段为miller平台的维持时间段，栅极电荷持续被充电使得vgs电压稳定保持在vgs(miller)，因此其具有足够的能量使mosfet承载完整的通态电流。在此阶段大量的ig被转移给qgd充电，使vds快速下降。栅极驱动电流ig_③和所需时间t③=t2-t1分别为：
与此对应的开通所耗能量e③为：
以上可得整个开关周期的开关损耗psw约为：
注：mosfet的开通或关断需要对ciss进行充电或放电，当电容上的电压发生变化时，与之反映的是电荷数量的转移，栅极电压和所需电荷数量的关系一般可由datasheet中的栅极电荷与栅源电压曲线获得。栅极电荷是栅极驱动电压的函数，vds最高电压会影响miller平台电荷，从而影响整个开关周期内所需的总栅极电荷。
第④阶段：t2~t4。此阶段中栅极电流ig通过对cgs和cgd充电（两者分流），使得vgs从miller平台电压逐渐上升至最终驱动电压vgs(actual)，其最终电平决定了开通期间的最终导通电阻rds(on)。此阶段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)与驱动电压和温度关系如图4所示。
可得开通阶段的驱动器损耗pdrv_on为：
buck变换器的mosfet ids(rms)为：
则通态pcon损耗为：
图4 rds(on)曲线图
2．关断过程。
第①阶段：t5~t7。ciss电容放电，使得vgs电平从驱动电压vgs(actual)降至miller平台电压vgs(miller)。此阶段栅极电流ig由ciss自身提供，而非驱动器提供。ig流经cgs和cgd回到驱动器。随着驱动电压降低，rds(on)增大，vds略有上升，ids保持不变。
第②阶段：t7~t8。此阶段与miller平台阶段所对应，栅极电流ig为cgd的充电电流，因此vgs是保持恒定的。栅极电流由功率级旁路电容提供，并从ids中减去，总ids仍然等于负载电流。vds从ids*rds(on)上升到最大电压vin。
第③阶段：t8~t9。栅极电压继续从miller平台电压vgs(miller)下降到阈值电压vgs(th)，绝大部分栅极电流ig来自于cgs，因为cgd在前一个阶段就被反向充满电了。此阶段结束时，mosfet又处在线性区，vgs下降导致ids减小接近于0。
第④阶段：t9~t10。此阶段对ciss完全放电，vgs进一步下降直至为0。与前一阶段类似，栅极电流的大部分电流由cgs提供。mosfet的vds和ids保持不变。
可得关断阶段的驱动器损耗为：
以上可得整个开关周期的驱动器损耗pdrv约为：
需要强调的是，栅极驱动器的最重要特性在于处在miller平台区时的拉电流及灌电流能力。
此外，mosfet的输出电容损耗pcoss为：
至此，mosfet在整个开关周期内相关损耗ploss为：
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qgs2：vds下降之前mosfet的栅极电压从阈值电压vgs(th)升到miller平台电压vgs(miller)所需的电荷量。
qgd：vds开始下降阶段为mosfet反馈电容cgd充电所需电荷量。
qsw：vgs从到达阈值电压vgs(th)开始直到miller平台结束时栅极电容中的电荷量。
输入电容：ciss=cgs+cgd（cds=0）；
输出电容：coss=cgd+cds（cgs=0）；
反馈电容（反向传输电容）：crss=cgd。
cgs和cgd主要由栅极结构决定，cds由垂直pn结的电容决定。
图2 mosfet开关时序
3驱动电路等效框图
图3所示为mosfet驱动电路的等效框图，在每个开关周期中，所需的栅极电荷均会通过驱动器输出阻抗（rgho和rglo）、外部栅极电阻rg以及mosfet内部栅极网状电阻rghi。栅极电阻功率损耗与通过电阻传输电荷速度的快慢无关。
主要结合图2和图3将mosfet开通和关断过程各分为4个阶段进行分析并计算相关损耗。
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