Buck变换器MOSFET开关过程分析与损耗计算

前言：为了方便理解MOSFET的开关过程及其损耗，以Buck变换器为研究对象进行说明（注：仅限于对MOSFET及其驱动进行分析，不涉及二极管反向恢复等损耗。）

1Buck Converter

图1所示为Buck变换器拓扑，其中Cin用于减小主功率电路的AC Loop，实际使用视Layout情况决定是否需要添加。

图1 Buck变换器拓扑

2MOSFET开关时序

图2所示为MOSFET的开关时序及相应VGS，IGS，VDS和IDS波形，其中：

QGS1：VDS下降之前MOSFET开始导通所需的电荷量。

QGS2：VDS下降之前MOSFET的栅极电压从阈值电压VGS(th)升到Miller平台电压VGS(miller)所需的电荷量。

QGD：VDS开始下降阶段为MOSFET反馈电容CGD充电所需电荷量。
QSW：VGS从到达阈值电压VGS(th)开始直到Miller平台结束时栅极电容中的电荷量。

输入电容：Ciss=CGS+CGD（CDS=0）；

输出电容：Coss=CGD+CDS（CGS=0）；

反馈电容（反向传输电容）：Crss=CGD。

CGS和CGD主要由栅极结构决定，CDS由垂直PN结的电容决定。




 

图2 MOSFET开关时序

3驱动电路等效框图

图3所示为MOSFET驱动电路的等效框图，在每个开关周期中，所需的栅极电荷均会通过驱动器输出阻抗（RGHO和RGLO）、外部栅极电阻RG以及MOSFET内部栅极网状电阻RGHI。栅极电阻功率损耗与通过电阻传输电荷速度的快慢无关。

主要结合图2和图3将MOSFET开通和关断过程各分为4个阶段进行分析并计算相关损耗。
 

图3 驱动电路等效框图

1．开通过程。

第①阶段：0~t0。此阶段VGS电平从0开始上升至阈值电压VGS(th)，栅极电流IG主要给MOSFET的QGS1充电，极少部分流经QGD。此过程中VDS和IDS维持上个状态（VDS==Vin，IDS=0）不变，故可称为为开通延时。

第②阶段：t0~t1。当t=t0时，MOSFET开始通流。IG持续流入QGS2和QGD中，VGS电压逐渐升高直至t1时刻达到Miller平台电压VGS(miller)。与之伴随的是IDS也逐渐增大至最高，但VDS依旧为高电平。因为IDS与VGS成正相关，所以此阶段为MOSFET的线性区。

将第②阶段中IG、VDS和IDS波形进行线性近似，则栅极驱动电流IG_②和所需时间T②=t1-t0分别为：
 

与此对应的开通所耗能量E②为：

第③阶段：t1~t2。此阶段为Miller平台的维持时间段，栅极电荷持续被充电使得VGS电压稳定保持在VGS(miller)，因此其具有足够的能量使MOSFET承载完整的通态电流。在此阶段大量的IG被转移给QGD充电，使VDS快速下降。栅极驱动电流IG_③和所需时间T③=t2-t1分别为：

与此对应的开通所耗能量E③为：

以上可得整个开关周期的开关损耗PSW约为：
 

注：MOSFET的开通或关断需要对Ciss进行充电或放电，当电容上的电压发生变化时，与之反映的是电荷数量的转移，栅极电压和所需电荷数量的关系一般可由datasheet中的栅极电荷与栅源电压曲线获得。栅极电荷是栅极驱动电压的函数，VDS最高电压会影响Miller平台电荷，从而影响整个开关周期内所需的总栅极电荷。

第④阶段：t2~t4。此阶段中栅极电流IG通过对CGS和CGD充电（两者分流），使得VGS从Miller平台电压逐渐上升至最终驱动电压VGS(actual)，其最终电平决定了开通期间的最终导通电阻RDS(on)。此阶段ID依然保持恒定，但是由于RDS(on)的下降，VDS略有降低（VDS=IDS*RDS(on)）。RDS(on)与驱动电压和温度关系如图4所示。

可得开通阶段的驱动器损耗PDRV_ON为：

 

Buck变换器的MOSFET IDS(RMS)为：
 

则通态PCON损耗为：
 

 

图4 RDS(on)曲线图

2．关断过程。

第①阶段：t5~t7。Ciss电容放电，使得VGS电平从驱动电压VGS(actual)降至Miller平台电压VGS(miller)。此阶段栅极电流IG由Ciss自身提供，而非驱动器提供。IG流经CGS和CGD回到驱动器。随着驱动电压降低，RDS(on)增大，VDS略有上升，IDS保持不变。

第②阶段：t7~t8。此阶段与Miller平台阶段所对应，栅极电流IG为CGD的充电电流，因此VGS是保持恒定的。栅极电流由功率级旁路电容提供，并从IDS中减去，总IDS仍然等于负载电流。VDS从IDS*RDS(on)上升到最大电压Vin。

第③阶段：t8~t9。栅极电压继续从Miller平台电压VGS(miller)下降到阈值电压VGS(th)，绝大部分栅极电流IG来自于CGS，因为CGD在前一个阶段就被反向充满电了。此阶段结束时，MOSFET又处在线性区，VGS下降导致IDS减小接近于0。

第④阶段：t9~t10。此阶段对Ciss完全放电，VGS进一步下降直至为0。与前一阶段类似，栅极电流的大部分电流由CGS提供。MOSFET的VDS和IDS保持不变。

可得关断阶段的驱动器损耗为：

 

以上可得整个开关周期的驱动器损耗PDRV约为：
 

需要强调的是，栅极驱动器的最重要特性在于处在Miller平台区时的拉电流及灌电流能力。

此外，MOSFET的输出电容损耗PCoss为：
 

至此，MOSFET在整个开关周期内相关损耗Ploss为：