开关电源MOS管的8大损耗及选型基本原则解析

开关损耗概述

开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)包括(kuo)导通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)和截止(zhi)(zhi)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)。导通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)指功率管(guan)从截止(zhi)(zhi)到(dao)导通(tong)时，所产生的功率损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)。截止(zhi)(zhi)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)指功率管(guan)从导通(tong)到(dao)截止(zhi)(zhi)时，所产生的功率损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)。开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)（Switching-Loss）包括(kuo)开(kai)通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)（Turn-on Loss）和关(guan)(guan)断损(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)（Turn-of Loss），常(chang)常(chang)在硬开(kai)关(guan)(guan)（Hard-Switching）和软开(kai)关(guan)(guan)（Soft-Switching）中讨论(lun)。

所谓开(kai)通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)（Turn-on Loss），是(shi)指非(fei)理想的(de)(de)开(kai)关(guan)管(guan)在(zai)开(kai)通(tong)时(shi)，开(kai)关(guan)管(guan)的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)不是(shi)立即(ji)下降到(dao)零，而是(shi)有一个下降时(shi)间(jian)(jian)，同时(shi)它(ta)的(de)(de)电(dian)(dian)流也不是(shi)立即(ji)上升到(dao)负载电(dian)(dian)流，也有一个上升时(shi)间(jian)(jian)。在(zai)这段时(shi)间(jian)(jian)内，开(kai)关(guan)管(guan)的(de)(de)电(dian)(dian)流和电(dian)(dian)压(ya)有一个交叠区，会产(chan)生损(sun)耗(hao)(hao)，这个损(sun)耗(hao)(hao)即(ji)为开(kai)通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)。以(yi)此类比，可以(yi)得出关(guan)断损(sun)耗(hao)(hao)产(chan)生的(de)(de)原因，这里不再(zai)赘(zhui)述。开(kai)关(guan)损(sun)耗(hao)(hao)另一个意(yi)思是(shi)指在(zai)开(kai)关(guan)电(dian)(dian)源中，对大的(de)(de)MOS管(guan)进行开(kai)关(guan)操作时(shi)，需要对寄(ji)生电(dian)(dian)容充(chong)放(fang)电(dian)(dian)，这样也会引起损(sun)耗(hao)(hao)。

MOS设计选型的几个基本原则

建(jian)议初选之基本步(bu)骤：

1、电压应力

在电(dian)源(yuan)电(dian)路应用中，往往首先考虑(lv)漏(lou)源(yuan)电(dian)压(ya)(ya) VDS 的选择(ze)。在此(ci)上的基(ji)本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大(da)峰(feng)值漏(lou)源(yuan)极间的电(dian)压(ya)(ya)不(bu)大(da)于器(qi)件规格书中标(biao)称漏(lou)源(yuan)击穿电(dian)压(ya)(ya)的 90% 。即：

VDS_peak≤ 90% * V(BR)DSS

注：一(yi)般地， V(BR)DSS 具有(you)正(zheng)温度系数。故应取设备最(zui)低工作温度条件下之 V(BR)DSS 值(zhi)作为参考。

2、漏极电流

其次考虑漏极电(dian)流(liu)(liu)的选择。基(ji)本原则为 MOSFET 实际(ji)工作环境中(zhong)的最大周期漏极电(dian)流(liu)(liu)不大于(yu)规格书中(zhong)标称最大漏源电(dian)流(liu)(liu)的 90% ；漏极脉冲(chong)电(dian)流(liu)(liu)峰(feng)值不大于(yu)规格书中(zhong)标称漏极脉冲(chong)电(dian)流(liu)(liu)峰(feng)值的 90% 即：

ID_max≤ 90% * ID

ID_pulse≤ 90% * IDP

注：一般地,ID_max及(ji)ID_pulse 具有负(fu)温度(du)系数(shu)(shu)，故应取器(qi)件(jian)在(zai)最大(da)(da)结温条件(jian)下(xia)之 ID_max及(ji)ID_pulse 值作(zuo)为参考(kao)。器(qi)件(jian)此参数(shu)(shu)的(de)选(xuan)择是极为不确定(ding)的(de)—主要是受工(gong)作(zuo)环(huan)境(jing)，散(san)热(re)(re)技术，器(qi)件(jian)其它参数(shu)(shu)（如(ru)(ru)导通(tong)电阻(zu)，热(re)(re)阻(zu)等）等相(xiang)互制(zhi)约(yue)影响所致。最终的(de)判定(ding)依据是结点温度(du)（即如(ru)(ru)下(xia)第(di)六(liu)条之“耗(hao)散(san)功率约(yue)束(shu)”）。根据经验，在(zai)实(shi)际应用(yong)中规格书目(mu)中之 ID 会比实(shi)际最大(da)(da)工(gong)作(zuo)电流大(da)(da)数(shu)(shu)倍，这是因为散(san)耗(hao)功率及(ji)温升(sheng)之限制(zhi)约(yue)束(shu)。在(zai)初选(xuan)计算时期还须根据下(xia)面第(di)六(liu)条的(de)散(san)耗(hao)功率约(yue)束(shu)不断调整此参数(shu)(shu)。建(jian)议初选(xuan)于3至(zhi)5倍左右ID= (3-5)*ID_max。

3、驱动要求

MOSFEF 的(de)驱(qu)动(dong)要求(qiu)由其(qi)栅极总充电(dian)(dian)电(dian)(dian)量（ Qg ）参数决(jue)定。在(zai)满足其(qi)它参数要求(qiu)的(de)情况下(xia)，尽量选择(ze) Qg 小者以便驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路的(de)设计。驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)压(ya)选择(ze)在(zai)保证远离(li)最大栅源电(dian)(dian)压(ya)（ VGSS ）前(qian)提下(xia)使 Ron 尽量小的(de)电(dian)(dian)压(ya)值（一般(ban)使用器件规格书(shu)中(zhong)的(de)建议值）

4、损耗及散热

小(xiao)的(de) Ron 值(zhi)有利于(yu)减小(xiao)导通(tong)期间损耗(hao)，小(xiao)的(de) Rth 值(zhi)可减小(xiao)温度差（同样耗(hao)散(san)功率条件(jian)下(xia)），故有利于(yu)散(san)热。

5、损耗功率初算

MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分(fen)：

PD= Pon+ Poff+ Poff_on+ Pon_off+ Pds+ Pgs+Pd_f+Pd_recover

详细计(ji)算(suan)公式应(ying)根据具体(ti)电路及(ji)工作条件(jian)而定。例(li)如(ru)在(zai)同步(bu)整流的(de)(de)应(ying)用场合，还要考虑体(ti)内二极管(guan)正向(xiang)导通期间(jian)的(de)(de)损(sun)(sun)(sun)耗和转向(xiang)截止时的(de)(de)反向(xiang)恢复(fu)损(sun)(sun)(sun)耗。损(sun)(sun)(sun)耗计(ji)算(suan)可(ke)参考下文的(de)(de)“MOS管(guan)损(sun)(sun)(sun)耗的(de)(de)8个组成部分”部分。

6、耗散功率约束

器(qi)件稳态损耗(hao)功率 PD,max应(ying)以器(qi)件最大工作(zuo)结(jie)温(wen)度限(xian)制作(zuo)为(wei)考量(liang)依(yi)据。如能够预先知(zhi)道器(qi)件工作(zuo)环境温(wen)度，则可以按如下(xia)方法估算(suan)出最大的耗(hao)散功率：

PD,max≤ （ Tj,max- Tamb）/ Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件结点到其工作(zuo)环境之间的总热(re)阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其间还有绝(jue)缘材料(liao)还须(xu)将其热(re)阻考(kao)虑进去。

MOS管损耗的8个组成部分

在器(qi)件设计(ji)(ji)选择过(guo)(guo)程中需要(yao)对 MOSFET 的工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)过(guo)(guo)程损耗进(jin)行(xing)先期计(ji)(ji)算(suan)（所谓(wei)先期计(ji)(ji)算(suan)是指在没能(neng)够测试各工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)波形(xing)的情况下(xia)，利用(yong)器(qi)件规格(ge)书提(ti)供的参数及工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)电路的计(ji)(ji)算(suan)值和(he)预计(ji)(ji)波形(xing)，套用(yong)公(gong)式进(jin)行(xing)理论上的近(jin)似计(ji)(ji)算(suan)）。

MOSFET 的工作(zuo)损耗(hao)基本可(ke)分为(wei)如下几部分：

（一）导通损耗Pon

导通损(sun)耗(hao),指在 MOSFET 完(wan)全(quan)开(kai)启后负载电流（即漏源电流） IDS(on)(t)在导通电阻 RDS(on)上产生之(zhi)压(ya)降造成的损(sun)耗(hao)。

导通损耗计算

先(xian)通(tong)过(guo)计(ji)算(suan)得到(dao) IDS(on)(t)函数表达式并(bing)算(suan)出其有效值 IDS(on)rms，再通(tong)过(guo)如(ru)下电阻损(sun)耗(hao)计(ji)算(suan)式计(ji)算(suan)：

Pon=IDS(on)rms2× RDS(on)× K × Don

说明

计(ji)算 IDS(on)rms时(shi)使用的(de)时(shi)期(qi)仅是(shi)导通时(shi)间(jian) Ton ，而不(bu)(bu)是(shi)整个(ge)工作(zuo)周(zhou)期(qi) Ts ； RDS(on) 会随 IDS(on)(t)值和器件结点温(wen)(wen)度(du)不(bu)(bu)同而有所(suo)不(bu)(bu)同，此时(shi)的(de)原则是(shi)根据规(gui)格书(shu)查(cha)找尽量靠(kao)近预计(ji)工作(zuo)条件下的(de) RDS(on) 值（即乘以规(gui)格书(shu)提供的(de)一(yi)个(ge)温(wen)(wen)度(du)系(xi)数(shu) K ）。

（二）截止损耗Poff

截(jie)止(zhi)损(sun)(sun)耗(hao)，指在 MOSFET 完全截(jie)止(zhi)后在漏源电(dian)压 VDS(off) 应力下产(chan)生的漏电(dian)流 IDSS造成的损(sun)(sun)耗(hao)。

截止损耗计算

先通(tong)过(guo)计算得(de)到 MOSFET 截(jie)止时所承受的(de)漏源(yuan)电压 VDS(off) ，在查找器件规格(ge)书提供(gong)之 IDSS ，再通(tong)过(guo)如下公式计算：

Poff=VDS(off)× IDSS×（ 1-Don）

说明

IDSS会依 VDS(off) 变(bian)化(hua)(hua)而(er)变(bian)化(hua)(hua)，而(er)规格书提供的(de)此(ci)值是在一近似 V(BR)DSS条件下的(de)参(can)数。如(ru)计算得(de)到的(de)漏源(yuan)电压 VDS(off)很大以至接(jie)近 V(BR)DSS则可(ke)直接(jie)引用(yong)此(ci)值，如(ru)很小，则可(ke)取(qu)零值，即忽略此(ci)项。

（三）开启过程损坏

开启(qi)过程损(sun)(sun)耗(hao)(hao)，指在(zai) MOSFET 开启(qi)过程中逐渐下降的漏源电压(ya) VDS(off_on)(t)与逐渐上(shang)升的负(fu)载电流（即漏源电流） IDS(off_on)(t)交叉重叠(die)部分造成的损(sun)(sun)耗(hao)(hao)。

开启过程损耗计算

开(kai)(kai)(kai)启(qi)过程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 交(jiao)叉波(bo)形(xing)如上图(tu)所示(shi)。首(shou)先须计(ji)算(suan)或(huo)预(yu)计(ji)得到(dao)开(kai)(kai)(kai)启(qi)时刻前之 VDS(off_end)、开(kai)(kai)(kai)启(qi)完成后(hou)的 IDS(on_beginning)即图(tu)示(shi)之 Ip1，以(yi)及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 重(zhong)叠时间 Tx。然后(hou)再(zai)通过如下(xia)公(gong)式计(ji)算(suan)：

Poff_on= fs×∫TxVDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

实际(ji)计算中主要有两种(zhong)(zhong)假设(she)(she) — 图 (A) 那种(zhong)(zhong)假设(she)(she)认为 VDS(off_on)(t)的(de)(de)开始下降(jiang)与 ID(off_on)(t)的(de)(de)逐(zhu)渐上升同时发生；图 (B) 那种(zhong)(zhong)假设(she)(she)认为 VDS(off_on)(t)的(de)(de)下降(jiang)是从 ID(off_on)(t)上升到(dao)最大(da)值后才开始。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实际(ji)测试到(dao)的(de)(de)波形，其更接(jie)近于 (A) 类假设(she)(she)。针对这两种(zhong)(zhong)假设(she)(she)延伸出两种(zhong)(zhong)计算公式：

(A) 类假设(she) Poff_on=1/6×VDS(off_end)×Ip1×tr ×fs

(B) 类假(jia)设 Poff_on=1/2×VDS(off_end)×Ip1×(td(on)+tr)×fs

(B) 类假设可作为(wei)最恶劣模式的计算值(zhi)。

说明

图 (C) 的(de)(de)(de)实际(ji)测试(shi)到(dao)(dao)波(bo)形可以看到(dao)(dao)开(kai)启完成后的(de)(de)(de) IDS(on_beginning)>>Ip1（电(dian)(dian)(dian)源使用中(zhong) Ip1 参(can)(can)数(shu)(shu)往(wang)往(wang)是激磁电(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de) 初始值(zhi)）。叠加的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)波(bo)峰(feng)确(que)切(qie)数(shu)(shu)值(zhi)我们难以预计得到(dao)(dao)，其 跟电(dian)(dian)(dian)路(lu)架(jia)构和器件参(can)(can)数(shu)(shu)有关。例如 FLYBACK 中(zhong) 实际(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)应 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为(wei)次级(ji)端整流(liu)二极管的(de)(de)(de)反向恢 复(fu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)感应回初极的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)值(zhi) -- 即乘以匝比， Ib 为(wei)变压器 初级(ji)侧绕组层间寄生电(dian)(dian)(dian)容在 MOSFET 开(kai)关开(kai)通瞬间释放的(de)(de)(de) 电(dian)(dian)(dian)流(liu) ) 。这个难以预计的(de)(de)(de)数(shu)(shu)值(zhi)也是造成此部(bu)分计算误差的(de)(de)(de) 主要原因之一。

（四）关断过程损耗

关(guan)断过(guo)程损耗。指(zhi)在 MOSFET 关(guan)断过(guo)程中 逐(zhu)渐(jian)上升的漏源电压 VDS(on_off) (t)与逐(zhu)渐(jian) 下降的漏源电流 IDS(on_off)(t)的交(jiao)叉重 叠(die)部分造成的损耗。

关断过程损耗计算

如上图所示，此部分损耗(hao)计(ji)(ji)算原理及(ji)方(fang)法跟(gen) Poff_on类似。 首先须计(ji)(ji)算或预计(ji)(ji)得(de)到关断(duan)(duan)完(wan)成后之漏(lou)源电(dian)压 VDS(off_beginning)、关断(duan)(duan)时(shi)刻前(qian)的负载电(dian)流 IDS(on_end)即图示之 Ip2 以及(ji) VDS(on_off) (t)与(yu) IDS(on_off)(t)重叠时(shi)间 Tx 。然(ran)后再通过(guo) 如下公式计(ji)(ji)算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS(on_off)(t) × IDS(on_off)(t) × dt

实际计(ji)算中，针对这两(liang)种假(jia)设延伸(shen)出两(liang)个计(ji)算公式：

(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs

(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs

(B) 类(lei)假设可(ke)作为最恶(e)劣模式(shi)的计算值。

说明：

IDS(on_end) =Ip2，电源(yuan)使用(yong)中这一参数往往是激磁电流 的末端值(zhi)。因(yin)漏感(gan)等因(yin)素(su)， MOSFET 在关(guan)断完成后之 VDS(off_beginning)往往都有一个很大的电压尖峰(feng) Vspike 叠(die)加其 上，此(ci)值(zhi)可大致按(an)经验估算。

（五）驱动损坏Pgs

驱动(dong)损(sun)耗，指栅极接受(shou)驱动(dong)电源进行驱动(dong)造成之(zhi)损(sun)耗

驱动损耗的计算

确定驱动电源电压 Vgs后，可通过(guo)如(ru)下公(gong)式进行(xing)计算(suan)：

Pgs= Vgs × Qg × fs

说明

Qg 为(wei)总驱动电量，可通(tong)过器件规格书查找得(de)到。

（六）Coss电容的泄放损耗Pds

Coss电(dian)容的(de)(de)泄放损(sun)坏,指MOS输出电(dian)容 Coss 截止期间储蓄的(de)(de)电(dian)场能于导同期间在漏源极上的(de)(de)泄放损(sun)耗(hao)。

Coss电容的泄放损耗计算

首先须计算或预计得到开启时刻前之(zhi) VDS，再通过如下公式进行(xing)计算：

Pds=1/2 × VDS(off_end)2× Coss × fs

说明

Coss 为 MOSFET 输出(chu)电(dian)容，一般可等(deng)于 Cds ，此值可通过器(qi)件规(gui)格(ge)书查找(zhao)得到。

（七） 体内寄生二极管正向导通损耗Pd_f

体内(nei)寄生二极管正向(xiang)导通损(sun)耗(hao),指MOS体内(nei)寄生二极管在承载正向(xiang)电(dian)流时因正向(xiang)压降造(zao)成的(de)损(sun)耗(hao)。

体内寄生二极管正向导通损耗计算

在一些利(li)用(yong)体内寄生二极(ji)管(guan)进(jin)行(xing)载流的应用(yong)中（例(li)如同步整流），需要(yao)对(dui)此部分之损耗进(jin)行(xing)计算。公(gong)式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中： IF 为(wei)二(er)极(ji)管承载的电(dian)流量(liang)， VDF 为(wei)二(er)极(ji)管正向导通压降(jiang)， tx 为(wei)一周期内二(er)极(ji)管承载电(dian)流的时间。

说明

会(hui)因(yin)器件(jian)结(jie)温及承载的电流大小(xiao)不同(tong)(tong)而(er)不同(tong)(tong)。可根据实(shi)际应用环境在其规格(ge)书上查找到(dao)尽量接近之数值。

（八）体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover

体内寄生(sheng)二(er)极管(guan)反(fan)向(xiang)恢(hui)(hui)复损耗，指MOS体内寄生(sheng)二(er)极管(guan)在(zai)承载正向(xiang)电流后(hou)因反(fan)向(xiang)压致使的反(fan)向(xiang)恢(hui)(hui)复造成(cheng)的损耗。

体内寄生二极管反向恢复损耗计算

这一损(sun)(sun)耗原(yuan)理及计算方法与普(pu)通(tong)二极管的反向恢复(fu)损(sun)(sun)耗一样。公(gong)式(shi)如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 为(wei)二极(ji)管(guan)反向压(ya)降(jiang)， Qrr 为(wei)二极(ji)管(guan)反向恢复电量，由器件(jian)提供之规格书中查找(zhao)而得。

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