浅论MOSFET的损耗及软开关

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浅论MOSFET的损耗及软开关

MOSFET等效模型

损耗分析

导通损耗主要是Rdson上的有效电流产生的损耗，无需多言。主要分析的是MOS开通和关断造成的损耗。

驱动损耗

驱动损耗是栅极对结电容Cgs+Cgd充放电 所造成的能量损失，主要和驱动电压的平方成正比，与频率和电容量成正比。

漏极电荷损耗

漏极电压存储在Cgd+Cds上的电荷，会在MOS开关时不断的充放电，造成能量损失。这部分与驱动损耗类似，只是电压为漏极电压的平方。

开通损耗

开通损耗主要是因为在开通的过程中漏极因结电容的影响电压不能突变。这样，开通损耗为

假如电路为漏极接电感的Boost拓扑，考虑最坏情况此处损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。

由于，开通损耗是存在于每个周期的，所以随着开关频率的提高，开通损耗线性增长。

关断损耗

关断损耗产生的原因，主要是功率电感上电流不能突变，因而当MOS关断时造成漏极电压突变（考虑漏极结电容的影响，电压并不会突变，但在大电流模式下因结电容很小所以可以近似为突变）。与开通损耗类似的，最坏情况损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。

开关损耗

开通损耗与关断损耗的和为MOS的开关损耗，从

可以得出三种方法可以降低开关损耗：

1、 提高开关速度 

2、 开关动作时，使得漏极电压为零（或很低） 

3、 开关动作时，使得漏极电流为零（或很低）

MOSFET误导通和击穿

MOS的误导通和击穿会造成很大的损耗甚至损坏电路，所以有必要讨论一下。根据MOS等效模型，MOS在关断的情况下有两种可能被强制开通： 

1、 当漏极出现很强的电压变化率时（即dv/dt很大），等效网络“Rds-Cgd-Rg-Cgs-驱动内阻”内会产生很高的电流，如果Rg+驱动内阻足够大，则很有可能导致Cgs上的电压瞬间超过开通门限，导致MOS误导通 

2、 与上同样的dv/dt，会在等效网络“Rds-Cds-Rb”内产生很高的电流，如果这个电流在Rb上的电压超过寄生BJT的导通电压，则会导致BJT导通形成击穿。 基于上述原因，使用MOSFET应避免在漏极产生高的dv/dt。

传统软开关

软开关的目的就是要消除或降低MOS的开关损耗（有可能的话也可以消除漏极电荷损耗）。

消除关断损耗

零电压关断： 

零电压关断主要是利用电容电压不能突变的特性，将MOS管上的电流转移到Cds中去，从而保证MOS电流为零时Vds仍然保持一个比较低的值，降低关断损耗。但是这带来一个问题，在大电流情况下为钳位Vds必须保证Cds足够大，而过大的Cds实际上是将关断损耗转移到漏极电荷损耗中。 零电流关断： 

通常MOS的零电流关断不容易很直观的实现，除非事先将MOS上的电流转移到其他的地方（通常需要辅助开关协同实现）。事实上，零电压关断最终也会达成零电流关断（相当于MOS上的电流被转移到Cds中了）。 

如果使用了辅助开关，则需要注意MOSFET的误导通问题。

消除开通损耗

零电流开通： 

零电流开通主要是利用DCM模式下，电感电流不能突变，从而实现MOS开通时漏极电感电流为零。但是零电流开通不能消除漏极电荷损耗。 

在CCM模式下，零电流开通必须要通过辅助开关来实现（至少两个开关协同工作）。 零电压开通： 

零电压开通主要通过辅助电路将Cds+Cgd上的电荷实现转移走，从而消除开通损耗和漏极电荷损耗。

LLC谐振

LC谐振软开关是传统软开关的最佳实践，通过几个开关之间的协作，以及增加辅助电感和电容，达到MOS的零电压开关，从而基本消除了了开关损耗和漏极电荷损耗。但是不可避免的，为实现零电压关断需要在漏源之间并联很大的电容来吸收关断电流，从而在大电流应用中导致巨大的能量在辅助电感和辅助电容组成的网络中震荡。 并且，由于电源满载与轻载时漏极存储的电荷量不同，所以为了满足固定的谐振频率，PWM控制器必须变频工作。

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