大功率電源MOSMOSFET問題的分析

 在現(xiàn)代科技的環(huán)境下，傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方案已經(jīng)無法再滿足人們的需要。因此功率更為強(qiáng)大的大功率電源開始成為設(shè)計(jì)者們的新寵。但是在應(yīng)用過程中大功率電源也遇到了這樣或那樣的問題，本文就將針對(duì)大功率電源MOSFET功率耗散中的開關(guān)損耗問題進(jìn)行分析。

對(duì)于除最大負(fù)載外的所有負(fù)載，在開、關(guān)過程中，同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過捕獲二極管箝制。因此，同步整流器沒有引致開關(guān)損耗，使其功率耗散易于計(jì)算。需要考慮只是電阻耗散。

最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負(fù)載系數(shù)最大時(shí)，即在輸入電壓為最大值時(shí)。通過使用同步整流器的RDS(ON)HOT和負(fù)載系數(shù)以及歐姆定律，就可以計(jì)算出功率耗散的近似值：

PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×[1>-(VOUT/VIN(MAX))]

開關(guān)MOSFET的耗散

開關(guān)MOSFET電阻損耗的計(jì)算與同步整流器的計(jì)算相仿，采用其(不同的)負(fù)載系數(shù)和RDS(ON)HOT：

PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)

由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍、對(duì)開關(guān)產(chǎn)生影響的因素，開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計(jì)算較為困難。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評(píng)估一個(gè)MOSFET的第一步，并在以后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證：

PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE

其中CRSS為MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容(一個(gè)性能參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率，而IGATE為MOSFET的啟動(dòng)閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的吸收電流和的源極電流。

一旦根據(jù)成本(MOSFET的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能)將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET，那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關(guān)損耗的型號(hào)。若采用更小(更快)的器件，則電阻損耗的增加幅度大于開關(guān)損耗的減小幅度;而采用更大(RDS(ON)低)的器件中，則開關(guān)損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度。

如果VIN是變化的，必須同時(shí)計(jì)算在VIN(MAX)和VIN(MIN)處的開關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個(gè)函數(shù)的和：在VIN(MIN)(較高的負(fù)載系數(shù))處達(dá)到最大的電阻耗散，和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達(dá)到最大的開關(guān)耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散，它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開關(guān)耗散。

如果在VIN(MIN)處的耗散明顯較高，電阻損耗為主。在這種情況下，可以考慮采用較大的開關(guān)MOSFET，或并聯(lián)多個(gè)以達(dá)到較低的RDS(ON)值。但如果在VIN(MAX)處的耗散明顯較高，則可以考慮減小開關(guān)MOSFET的尺寸(如果采用多個(gè)器件，或者可以去掉MOSFET)以使其可以更快地開關(guān)。

如果所述電阻和開關(guān)損耗平衡但還是太高，有幾個(gè)處理方式：

改變題目設(shè)定。例如，重新設(shè)定輸入電壓范圍;改變開關(guān)頻率，可以降低開關(guān)損耗，且可能使更大、更低的RDS(ON)值的開關(guān)MOSFET成為可能;增大柵極驅(qū)動(dòng)電流，降低開關(guān)損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動(dòng)電流的內(nèi)部柵極電阻，實(shí)際上局限了這一方案;采用可以更快同時(shí)開關(guān)并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進(jìn)的MOSFET技術(shù)。

由于實(shí)際操作中的元器件選擇數(shù)量范圍存在限制，當(dāng)超出特定的點(diǎn)時(shí)，就無法完全的對(duì)MOSFET尺寸進(jìn)行精確的調(diào)整，因此MOSFET在最壞的情況下必須被耗散?？梢姾纳⑶闆r的好壞關(guān)系到大功率電源的性能，因此需要引起足夠的重視。希望大家在閱讀過本文之后能夠有所收獲。