当下公认的MOSFET品质因数还有意义吗

我们都习惯于将RDS(on)和Qg的乘积视为MOSFET的品质因数。但是，由于现在的栅极驱动器能够有效地满足较大的Qg需求，而且开关频率更快，可以创建更小、更高效的系统，因此一些经常被忽略的参数已经上升到“系统关键”的程度。那么，传统的品质因数定义还有意义吗？

从导通和开关性能的角度来看，我们都习惯于将MOSFET的品质因数(FOM)视作漏极至源极通态电阻RDS(on)和栅极电荷Qg的乘积。

FOM = RDS(on) x Qg

在下定义时，这是一个很好的指标，但现在大多数MOSFET的Qg均已得到优化。 在不断追求更小、更高效系统的过程中，新一代栅极驱动器不断出现，驱动较大Qg值也变得更加容易和快捷，因此我们可以看到其他参数已成为“系统关键”。如果继续沿用传统的品质因数，就会导致制造商忽视其他关键参数，而将资源花费在进一步优化得到更好的Qg。

2018年初，我们讨论了经常被忽视和低估的反向恢复电荷Qrr，以及它对电压峰值和效率的影响。由于传统的品质因数定义通常作为MOSFET选型限制因素，因此对于当下的电机驱动和SMPS拓扑，我们需要详细地说明Qrr的重要性以及为什么Qg的关键性在不断下降。实际上，对于这些应用，我们甚至建议需要重新定义MOSFET的品质因数，以便我们可以从不同应用中选择合适的MOSFET，以提高效率、简化设计，满足电压峰值和EMI特性等要求。

现在需要进一步了解MOSFET品质因数和Qg的影响

从最纯粹的意义上讲，Qg用于给定栅极驱动电流下的开关时间，并可对MOSFET开关性能进行实际比较。例如，理论上，由1 A源电流和灌电流驱动的50 nC MOSFET可以在50 ns内打开，然后在另一个50 ns内关断。因此，对于任何给定的栅极驱动电流，具有较低Qg的MOSFET可以更快地打开和关闭，从而有可能减少开关损耗。

但是，实际情况并不是如此简单。让我们以50 nC MOSFET开关48 V线路为例。如果使用5 A驱动，MOSFET可以在10 ns内关闭，但这将导致巨大dv/dt达到48000 V/µs。这就是为什么几乎所有应用都使用外部栅极电阻(Rg)来控制dv/dt及其相关影响的原因。在设计阶段调整Rg对实现所需的开关性能有很大的影响。

在之前系统中，控制器的栅极驱动能力是一个限制因素，尤其是在并联MOSFET的应用中。但是，当下控制器的栅极驱动能力已经大大提高。在更复杂的拓扑结构中，简单的外部栅极驱动级可以轻松提供足够的源电流和灌电流，由此在大多数实际条件下驱动数百nC。

即使在效率方面，从整个系统的角度来看，栅极充放电所涉及的损耗通常也仅占系统额定功率的一小部分，这在大多数应用中可以忽略不计。因此，对于大多数应用，即使Qg的差异巨大，产生的实际影响也非常小，甚至是没有影响。但是，值得注意的是，此功率会在栅极驱动组件（外部Rg和栅极驱动器）中耗散，因此在选择这些组件时需要考虑适当的散热。

下面显示了在某些实际应用中的损耗。

 

应用（栅极动电压=12 V）	MOSFET数量	额定功率(W)	Qg为50 nC的MOSFET的典型Qg损耗(mW)	额定功率中的占比
反激@60kHz	1	30	36	0.12%
三相BLDC@20 kHz	6	750	72	0.01%
LLC@150 kHz	2	250	180	0.07%

 

Qrr在开关应用中的影响

当MOSFET的体二极管允许导通时，Qrr的影响就会突显出来。而这种情况在同步整流应用中很常见，尤其是在连续导通工作模式期间。

Qrr和直通-同步降压拓扑

在死区期间，高边和低边FET均关闭，从而使低边体二极管导通续流电流。这样会产生存储电荷(Qrr)。当高边FET打开时，该电荷会以瞬间直通的形式被移除。高边FET的打开速度决定了恢复电流的di/dt。  除了恢复损耗外，反向恢复电流与电路的寄生杂感可能会导致电压峰值。

Qrr和直通-BLDC全桥拓扑

在全桥转换的第5阶段中，Q2的体二极管在导通电流的同时被反向偏置。这会导致恢复电流流过Q1和Q2的体二极管，进而产生直通场景，直到Q2的体二极管完全恢复为止。在恢复瞬间，电流路径中的寄生电感会导致电压摆幅，以尝试保持路径中的电流。该电压偏移与路径中的寄生元件组合，导致在开关节点处产生振铃纹波，从而导致EMI。

Qrr和直通-反激拓扑和其他SMPS拓扑

Qrr在反激拓扑和其他SMPS拓扑中的影响（尤其是在连续导通模式下）是巨大的。当考虑原边MOSFET关闭时的反激拓扑，能量从原边传递到副边（电流由蓝色箭头表示）。但是，就在下一个周期开始时，在原边打开之前，同步控制器会关断MOSFET，以防止直通，进而在剩余时间内使体二极管导通。当原边在下一个周期的开始时打开，副边MOSFET会沿反方向导通，直到恢复存储电荷，从而导致瞬间直通。

将Qrr用于新的MOSFET品质因数

与Qrr相关的直通是SMPS故障的主要原因之一。此外，与Qrr相关的电压峰值和dv/dt使缓冲器设计复杂且产生损耗，并且还会导致EMI干扰。Qrr影响意味着它不仅对于效率至关重要，而且对于简化系统设计及可靠性也非常重要。

鉴于Qrr参数在开关应用中影响不可忽视，因此强烈建议在选择MOSFET时将其考虑在内。与Qg相比，Qrr对系统的整体运行效率有很大影响。如果您之前忽略这些开关参数，现在就不应该再忽略Qrr了。

审核编辑：郭婷