同步升压转换器设计中MOSFET的选择策略

作者：时间：2012-03-18来源：网络收藏

在个人计算机应用领域，随着为核心DC-DC转换器开发的同步 升压转换器的开关频率向着1MHz-2MHz范围转移，MOSFET的损耗进一步增加。鉴于大多数CPU需要更大的电流和更低的电压，这种问题被复杂化了。如果你考虑其它支配损耗机制的参数，如电源输入电压和门极电压，我们就要处理更为复杂的现象。但是，这并不是问题的全部，我们还会遇到可能造成损耗极大恶化并降低电源转换效率(ξ)的二次效应。

这些二次效应包括击穿损耗和因像电容和电感等效串联电阻(ESR)、电路板电阻及电感、MOSFET封装寄生电感所这样的寄生电阻引起的损耗。其它二次损耗机制是MOSFET的电极电容之间的充电和放电，包括门极-源极间电容(Cgs)、米勒门极漏极电容(Cgd)和漏极-源极间电容(Cgs)。

随着频率越来越高，因体二极管反向恢复造成的损耗会更为显著，必须加以考虑。现在，很显然选择同步 升压转换器的MOSFET不再是一项微不足道的练习，它需要可靠的方法来选择最佳的组合，并结合对上述所有问题的深入理解。本文将详细地讨论所有这些效应并将向您演示如何作出这种选择。

传导损耗：

由于电流流过MOSFET的Rdson会产生器件的电阻损耗，图1所示的MOSFET的损耗M1和M2可以由下列两个方程来计算：

其中：

PCHS =高侧(HS) MOSFET传导损耗；

PCLS=低侧(LS) MOSFET传导损耗；

Δ =占空周期 ≈ Vout/ Vin

Iload = 负载电流

Rdson = MOSFET开电阻

Vin = 电源输入电压

Vout =输出电压

因为 Δ and Iload由应用来决定，Rdson必须选择为尽可能地小。

图1：简化的同步 升压转换器显示了MOSFET的寄生电感。

动态损耗：

动态损耗是由HS和LS MOSFET开关造成的损耗，这些损耗可以通过下列两个方程来计算：

其中:

PDHS = HS MOSFET动态损耗；

PDLS = LS MOSFET动态损耗；

tr = 上升时间；

tf = 下降时间；

fs = DC-DC 转换器开关频率；

Vd = 体二极管开电压；

其它参数与上述参数一致。显然，我们需要把MOSFET的上升和下降时间最小化。这两个参数取决于于米勒电容，它通常由门极-漏极间电荷(Qgd)来表示，其中，Qgd越低，就会导致MOSFET的开关速度越快。

LS MOSFET中的开关损耗与传导损耗相比宁可忽略不计，因为Vin为12V而Vd大约为1V。

在这种情形下，对HS MOSFET我们必须选择具有尽可能最低的Qgd。通过隔离Rdson做不到这一点，因为它们每一个都取决于裸片的面积。大多MOSFET制造商设计MOSFET器件时满足了HS或LS MOSFET的要求，但是，实际上打击了开关速度和MOSFET开电阻之间的折衷要求，即Qgd和低的Rdson。

图2：HS MOSFET功率损耗，Z轴是X轴电流和Y轴开关频率的函数。

图2所示为HS MOSFET的功率损耗。显然，大电流和高频率的组合会快速导致高损耗。对MOSFET的正确选择是从根本上关注整体的高电源转换效率(ζ)和高可靠性。

反向恢复损耗

另外一种损耗机制是因为体二极管恢复造成的损耗。这是由于HS MOSFET使“打开”状态进入体二极管所致。体二极管要无限长时间才能关闭，在这段时间HS MOSFET就会出现损耗。反向恢复损耗可以由下列方程计算：

其中：

Qrr=反向恢复电荷。

此外，这种损耗机制依赖于开关频率fs，因为它是某种形式的开关损耗。尽管反向恢复因LS MOSFET体二极管所致，损耗却发生在HS MOSFET中。

在此，对LS MOSFET的选择准则是获得尽可能最低的Qrr及合适的Rdson。

图3：因反向恢复造成的功率损耗。

击穿损耗：

当LS MOSFET由门极驱动器关闭而HS MOSFET正被打开时，就会遇到击穿损耗。在转换期间，门极-漏极间电容通过由Cgd和Rg//Cgs组成的潜在的分压器把漏极电压耦合到门极。如果这个耦合电压大于门限电压Vgth，那么，LS MOSFET将为打开，从而产生一条流过HS和LS MOSFET的低阻的电流通路，最终造成过度损耗。支配相对于地的门极电压的方程如下所示：

其中:

Vg (t) =门极电压；

a = 漏极电压的摆率；

Rg = 包括门极驱动器的总门极电阻；

Cgs = 门极与源极之间的电容；

Cgd = 门极与漏极之间的电容；

显然，Cgd越大，则耦合电压越大。

图4：击穿。

取上述方程的极限为：

即无限大的摆率给出方程：

上述方程表达了无交叉传导情况下的理论最坏情形。如果在最坏情形的参数范围内—即最小Cgs、最大Cgd和最小Vgth—MOSFEI满足这种条件，那么，在任何应用中都观测不到交叉传导。

图5是一张示波器的图形，其中，上部的踪迹是LS MOSFET漏极电压，下部的踪迹是LS MOSFET的门极电压。如果观测到的LS MOSFET的门极电压(绿色踪迹)达到一个大于Vgth的电压，那么，我们就可以观测到击穿和ζ的损耗。理想情况下，你需要峰值为几百毫伏。下面的踪迹是击穿的典型指纹，让我们能够通过测量门极到源极之间的电压来识别问题。

图5：识别击穿。