[转] 高频 mos 选择需要考虑相关资料

Posted 2021-01-07 ramlife

节选自 http://www.dianyuan.com/bbs/987183.html 【草根大侠】贴 关于MOS管导通内阻和米勒电容（Qgd）差异对效率的影响
http://www.epc.com.cn/subject/200910/13172.html 理解功率MOSFET的开关损耗(图)

最近做了一款正激有源钳位电源，DC48输入，DC28V输出，功率200W，频率100K。下边分别说说MOS管的差异

1.主MOS管用的IRF640，钳位管也用的IRF640 ,输出整流管用的MBR20200；实测效率满载87.5%。IRF640的主要参数

2.正好参加了元器件网的特约评论员活动，给了几片英飞凌的IPA075N15N3 G,在此先谢谢元器件网及源源。拿到手了就想换上去看看有啥区别，就把主MOS管换了个075N15，结果还真不一样，满载效率直接上升3个百分点，到了90.5%。再把IPA075N15N3 G的主要参数放上来

先从原理上分析下

1.第一种情况，IRF640的总输入功率Pin640=200/0.875=228.5W，输入电流Iin640=228.5/48=4.76A，导通损耗Pd640=4.764.760.18（IRF640的导通内阻）*ton

2.第二种情况，075N15的总输入功率PinN15=200/0.905=221W，输入电流IinN15=221/48=4.6A，导通损耗PdN15=4.64.60.0075*ton

3.两个导通损耗相差Pd=Pd640 -PdN15 两个的总功率相差P=228.5-221=7.5W

两个的开关损耗相差Pk=P-Pd

以上所算的都是大概值，因开关损耗的算法比较繁琐，这就不算了，好多电源资料上都有。米勒电容主要影响开关速度，他里边所存的电量会和变压器漏感，还有MOS的一些寄生参数，PCB的一些寄生参数等产生谐振，影响效率。所以应选择米勒电容比较小的MOS，从测试的波形可以形象的表达出来！

这个是640的

这个是IPA075N15N3 G的

实际用的时候，我用的是国产640，他的资料里边关于640的特性特别少，所以就用了IR的资料。变压器是我自己绕的，绕的不好，用的骨架太大，公司没小的了，骨架一半都没用完，所以漏感大了。

物有所长，必有所短。075N15效率高但价格很高，效率高，可靠性好，散热好做；而640的效率低点，但价格很低（尤其国产640更低）。在选取时大家可根据自己的情况选取，尽量的满足客户要求。

因MOS导通时是从输入电容充电,Ciss为Cgs与Cgd之和,Cgs与Cgd一样有米勒效应关系,所以就一并考虑.MOS完全导通时,Vgs必增加,Cgd也会增加,Ciss也会增加

今天先从导通内阻说起吧大家都知道，一般情况下电压越高，导通内阻越大。这个就和MOS的制作工艺有关系了，为了保证足够大的漏源击穿电压Vds，需要有高电阻率外延层，这会使MOS的导通电阻增大。

根据选择的拓扑选择合适的MOS管及吸收电路，再保证高端Vds不超的情况下，尽量选择耐压低的管子，耐压高的管子一般会很贵，品种单一没有耐压低的可选性多，而且效率不好提升。

耐压相同的管子一般情况下，导通内阻越小价格越高，根据自己的实际使用，在性价比中尽量折中。尽量把鱼和熊掌全得到！

栅源电压Vgs的选择对导通电阻也有影响，电压越高导通越好，导通程度越好，内阻越小，但随着栅源电压Vgs的升高，开关速度会降低，这个以后说；还有可能导致栅源电压Vgs击穿，器件失效。栅源电压越低，导通越差，内阻越大，效率越低。所以建议大家选取栅源电压Vgs为10V-18V之间。

做好散热，导通内阻随着温度的升高而增大，所以要把热设计搞好，温升尽量的低，效率尽量的高。

这个在管子的datasheet里边都有体现，下边咱看下075N15的

栅源电压不同，导通内阻也不一样。

这个虽然没有直接标出导通内阻，但从电流上可以体现出来，温度升高电流减小，输入电压不变说明内阻增大。

以上所说，希望对大家在以后选取MOS时有些帮助

再说下MOS管的寄生电容对效率的影响把，这个涉及的比较多了。咱一切从简单的说，以照顾新人为主，好多大侠比我还懂！

大家知道MOS的极间电容直接影响其开关特性，其等效电路如图

输入电容Ciss=Cgs+Cdg （D,S短接），输出电容Coss=Cds+Cgd（G,S短接）

反馈电容Crss=Cgd（也叫米勒电容）

以上是MOS管的电容特性，有定义Q=C*V可得，在电压一定时，电容量越小，Qg越小。

而Qg为栅极的总电荷量，Qgs为栅源极间的电荷量，Qgd为栅漏极间的电荷量。再根据公式t=Q/I得，当电流一定时，Q越小，时间越短，即开关速度越快，开关损耗越小。

所以再选取MOS时尽量选取Qg小的，以减小开关损耗。

而Qgs主要影响开启时间，Qgd主要影响关断时间。

1.在两个MOS管的耐压及电流一定时，选取Qg小的MOS；

2.如我上边的波形及两个资料来看，在Qg一样时要选取Qgd小的MOS。

3.根据自己的实际功率选择合适的MOS，一般情况下内阻越小，Qg越大；Vds越小，Qg越 大。

4.根据实际频率选择合适MOS，频率越高开关损耗越大，这个时候可能你的开关损耗远大 于你的导通损耗，这时要适当的选择内阻大点的MOS，以提升开关损耗；

5.尽量选择贴片的MOS，这样MOS的引脚短，引脚上的寄生电感等参数会小的多，减小损耗！

同频率下开关速度越快，开关损耗越小。而你同频率的开关速度取决于哪，你的寄生电容的冲放电速度。那个公式是对的，是频率越高开关损耗越大。但你的频率高了，更应该选寄生电容小的MOS，这样才能有效减小开关损耗，提升效率！

个人觉得，MOS管的寄生电容小，EMI也会减小。你的寄生电容小，开关速度快，MOS管的反峰小，就拿我上边两个波形图可以体现出来，明显640的EMI要大！

你要这样想呢，你开的快，你关的也快呢；或者你开的慢，关的快呢。开启速度可以在你的PWM到你的栅极加个电阻限制下电流，但关断速度就全靠你管子的寄生电容参数了。这个一般我会看Qgd，就像我上边波形显示的一样，那个Qgd大的640关断波形和速度就是没075N15的快，所以这就和你选择管子有关系了。你说的“我觉得还是应该看你的开关管漏端电压的下降/上升和开关管电流的上升/下降时间的交叠时间吧，你开得快，交叠时间多；和你开得慢，交叠时间少”是对的，但你可以通过选择MOS管的寄生电容尽量的去减小你的交叠时间，去提高效率。软开关不也是刻意去改变管子的导通关断，去实现零电压或零电流，这也是软开关技术效率高的原因之一吧！

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。

但是，在硬开关的过程中，Coss又不能太大，因为Coss储存的能量将在MOSFET开通的过程中，放电释放能量，将产生更多的功耗降低系统的整体效率，同时在开通过程中，产生大的电流尖峰。

开通过程中大的电流尖峰产生大的电流应力，瞬态过程中有可能损坏MOSFET，同时还会产生电流干扰，带来EMI的问题；另外，大的开通电流尖峰也会给峰值电流模式的PWM控制器带来电流检测的问题，需要更大的前沿消隐时间，防止电流误检测，从而降低了系统能够工作的最小占空比值。
Coss产生的损耗为：
对于BUCK变换器，工作在连续模式时，开通时MOSFET的电压为输入电源电压。当工作在断续模式时，由于输出电感以输出电压为中心振荡，Coss电压值为开通瞬态时MOSFET的两端电压值，如图2所示。

2 Coss对开关过程的影响
图1中VDS的电压波形是基于理想状态下，用工程简化方式来分析的。由于Coss存在，实际的开关过程中的电压和电流波形与图1波形会有一些差异，如图3所示。下面以关断过程为例说明。基于理想状态下，以工程简化方式，认为VDS在t7时间段内线性地从最小值上升到输入电压，电流在t8时间段内线性地从最大值下降到0。
图3 MOSFET开关过程中实际波形

实际过程中，由于Coss影响，大部分电流从MOSFET中流过，流过Coss的非常小，甚至可以忽略不计，因此Coss的充电速度非常慢，电流VDS上升的速率也非常慢。也可以这样理解：正是因为Coss的存在，在关断的过程中，由于电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较低的电压，可以认为是ZVS，即0电压关断，功率损耗很小。

同样的，在开通的过程中，由于Coss的存在，电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较高的电压，实际的功率损耗很大。

在理想状态的工程简化方式下，开通损耗和关断损耗基本相同，见图1中的阴影部分。而实际的状态下，关断损耗很小而开通损耗很大，见图3中的阴影部分。

从上面的分析可以看出：在实际的状态下，Coss将绝大部分的关断损耗转移到开通损耗中，但是总的开关功率损耗基本相同。图4波形可以看到，关断时，VDS的电压在米勒平台起始时，电压上升速度非常慢，在米勒平台快结束时开始快速上升。
图4 非连续模式开关过程中波形

Coss越大或在DS极额外的并联更大的电容，关断时MOSFET越接近理想的ZVS，关断功率损耗越小，那么更多能量通过Coss转移到开通损耗中。为了使MOSFET整个开关周期都工作于ZVS，必须利用外部的条件和电路特性，实现其在开通过程的ZVS。如同步BUCK电路下侧续流管，由于其寄生的二极管或并联的肖特基二极管先导通，然后续流的同步MOSFET才导通，因此同步MOSFET是0电压导通ZVS，而其关断是自然的0电压关断ZVS，因此同步MOSFET在整个开关周期是0电压的开关ZVS，开关损耗非常小，几乎可以忽略不计，所以同步MOSFET只有RDS(ON)所产生的导通损耗，选取时只需要考虑RDS（ON）而不需要考虑Crss的值。

注意到图1是基于连续电流模式下所得到的波形，对于非连续模式，由于开通前的电流为0，所以，除了Coss放电产生的功耗外，没有开关的损耗，即非连续模式下开通损耗为0。但在实际的检测中，非连续模式下仍然可以看到VGS有米勒平台，这主要是由于Coss的放电电流产生的。Coss放电快，持续的时间短，这样电流迅速降低，由于VGS和ID的受转移特性的约束，所以当电流突然降低时，VGS也会降低，VGS波形前沿的米勒平台处产生一个下降的凹坑，并伴随着振荡。