MOSFET開關損耗分析

趙 輝，徐紅波

（上海貝爾股份有限公司 上海 201206）

在采用集中供電的二次電源系統中，板卡插入主機時，主機已經處于穩定的工作狀態，所有容性負載均已充電。待插的板卡是不帶電的，板卡上的容性負載沒有充電，在熱插入過程中，待插板卡上的電容瞬間充電。充電過程將在插入的瞬間從系統電源吸納大量的電流，導致系統電壓瞬間跌落，影響其他板卡的正常運行。另外，在電源線接觸的瞬間，系統電源的輸出電阻和待插板卡的電容組成RC充電通道，由于電源的輸出電阻很小，浪涌電流非常大。在拔出板卡的過程中，板卡上的旁路電容放電，和背板之間形成一個低阻通道，也會產生瞬間大電流。浪涌電流攜帶大量的能量，會毀壞接口器件、連接器和金屬連線。為了防止上述情況發生，需要對電源系統進行必要的保護性設計[1]。

解決帶電插拔不利影響的根本措施是減少浪涌電流，浪涌電流是由于待插板卡的容性負載在上電瞬間充電引起的。由公式I=Cdv/dt可知，上電時間直接決定了浪涌電流的大小。在一般的帶電插拔過程中，充電電壓相當于一個階躍激勵，dv/dt極大。我們知道在采用RC充電回路中，電容的充電時間可以簡單地通過改變R和C值來設定，如果利用這個漸變的電壓控制一個在一定電壓下導通的開關MOSFET[2-3]，就可以緩慢導通二次電源，非常有效地減少浪涌電流的值，從而最大程度地減少帶電插拔帶來的負面影響。

公司網絡、數據及無線基站產品各單板基本都應用了由N溝道MOSFET加分立元件組成的緩啟動電路來減少直流-48 V上電的浪涌電流。由于該MOSFET在單板上不僅用來實現-48 V緩啟動功能，在某些單板也是遠程控制上下電的關鍵器件。一旦MOSFET失效，單板-48 V電源輸出就出現故障，更無法實現緩啟動功能和遠程控制功能，將嚴重影響產品單板的正常運行。可見，MOSFET在單板緩啟動電路中起到了舉足輕重的作用，科學分析MOSFET特性，深入了解其導通特性，減少MOSFET的損壞就是整個熱插拔緩啟動電路的關鍵。

1 MOSFET在開關應用過程中的問題

公司網絡、數據及無線基站產品各單板都采用通過簡單的改變RC充電回路中R和C值，產生一個漸變的電壓控制一個在一定電壓下導通的開關MOSFET，來導通輸入直流-48V電壓進而減少熱插拔過程的浪涌電流。但是因為對于MOSFET本身內部結構、開關過程和損耗了解不全面，造成了大批MOSFET失效的案例。筆者通過對公司各產品直流-48V緩啟動電路MOSFET失效情況分析和統計發現，MOSFET的失效在公司各產品事業部都有發生，失效問題數量比較多，但失效原因卻比較單一，都是由于短時過功率燒毀[4]。失效案例中同時也提出了改善對策，需要我們改進目前-48 V DC緩啟動電路的驅動設計減少MOSFET開關過程的損耗，避免MOSFET失效問題的再次發生。

2 MOSFET的開關損耗

由于造成MOSFET失效的原因大多都是由于開關過程損耗過大導致的過功率燒毀。究竟MOSFET的開關損耗是如何產生的，在MOSFET導通的哪一階段產生，跟什么因素有關？這個必須從MOSFET本身的寄生柵極電荷、極間電容入手，通過對MOSFET寄生電荷和MOSFET的開關過程來分析開關損耗產生的因素及其原因。

2.1 柵極電荷QG

在MOSFET中，柵極電荷決定于柵極氧化層的厚度及其它與裸片布線有關的物理參數，它可以表示為驅動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。

如圖1是柵極電壓和柵極電荷之間的關系，從中可以看到柵極電荷的非線性特性。這條曲線的斜率可用來估計柵極電容Cgs的數值。曲線的第一段是線性的，QGS是使柵極電壓從0升到門限值所需電荷，此時漏極電流出現，漏極電壓開始下降；此段柵極電容Cgs就是Cgs。曲線的第二段是水平的，柵極到漏極電荷QGD是漏極電壓下降時克服“Miller”效應所需電荷，所以柵極到漏極電荷QGD也稱為“Miller”電荷。此時柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降。這一段的柵極電容是Cgs加上Cgd的影響 (通常稱為Miller效應)。

圖1 UGS與柵極電荷的關系Fig.1 UGSVs gate-charge

通過觀察柵極電壓UGS和柵極電荷QG之間的關系可以看出，寄生的柵極電荷QG值雖然很小，但是在MOSFET管導通過程中可分為明顯的3個階段；同時，由于受柵極到漏極電荷QGD即“Miller”電荷的影響使柵極電荷產生了非線性特性，也影響了柵極電壓UGS的線性升高。

2.2 MOSFET的極間電容

MOSFET其內部極間電容主要有Cgs、Cgd和Cds。并且Cgs>>Cds>>Cgd。其中Cgs為柵源電容、Cgd為柵漏電容，它們是由Mos結構的絕緣層形成的；Cds為漏源電容，由PN結構成。MOSFET極間電容等效電路如圖2所示[5]。

MOSFET管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

公式中Ciss、Coss、和Crss分別是MOSFET管的輸入電容、輸出電容和反饋電容。它們的數值可以在MOS管的手冊上查到。

圖2 MOSFET的極間電容Fig.2 Capacitor parasitics of MOSFET

通過觀察MOSFET極間電容和寄生柵極電荷QG，可以看到，MOSFET極間電容是由其導電溝道結構及工藝決定，固有的。由于存在反饋電容及柵極到漏極電荷QGD，QGD的大部分用來減小 UDS從關斷電壓到 UGS(th)產生的“Miller”效應[6]，此時Vds尚未達到Vsat。對曲線水平段所對應的電容Cgs充電所花費的時間越長，Vgs維持在一個恒定電壓上的時間也就越長，MOSFET達到飽和狀態所需的時間也就越長。這種情況相應的MOSFET的能量損耗也越大，產生的熱量越多、效率越低。

2.3 MOSFET的導通過程

MOSFET極間電容是影響開關時間的主要因素。由于受極間電容的影響，MOSFET的導通過程可分為如下幾個階段(如圖4所示)。

1)t0～t1期間：驅動電壓從零上升，經rG對圖3 MOSFET等效結構中G端輸入電容Ciss充電，電壓按虛線上升（開路脈沖），Ciss越小，則電壓上升的越快；

2)t1～t2期間：t1瞬時，MOS管的柵源電壓達到開啟電壓UGS(th),漏極電流開始上升；由于漏源等效的輸出電容Coss會對MOSFET容性放電，漏極電流ID上升，漏源電壓下降；同時受反饋電容Crss的影響G驅動電壓Vgs的上升速率特別平緩，（低于開路脈沖）；

3)t2～t3期間：t2瞬間，漏極電流ID已經達到穩態幅值，但Coss的電壓尚大，電流還會上沖；

4)t3～t4期間：t3瞬時，Coss在漏極峰值電流放電下，漏極電壓迅速下降，受反饋電容Crss的影響G驅動電壓略有回落，維持漏極電流所需的驅動電壓值，保持平衡；

5)t4之后：t4瞬時，Coss的電荷放完，漏源電壓近似為零，并保持不變；反饋消失。Vgs升高到開路脈沖，進入穩態導通期。

圖3 MOS管等效結構Fig.3 Equivalent circuit of MOSFET

圖4 MOS管導通過程Fig.4 Turn-on process of MOSFET

由此MOSFET開通過程可看，漏極電流在QG波形的QGD階段出現，由于受極間電容的影響，VDS電壓失去了線性的過程，所以一方面在漏極電流出現的過程，該段漏極電壓依然很高，漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這就造成了MOSFET管功率損耗的增加。另一方面開關導通時，由于受受“Miller”電荷的影響，電容Cgs充電需花費較長時間，Vgs長時間上升速率特別平緩，（低于開路脈沖），這種情況造成MOSFET的損耗很大并產生大量熱量、降低了開關效率；

3 損耗來源

通過對MOSFET特性的分析可以看出，MOSFET并不是單純的電壓控制器件。它的開啟和開關速度與電流有關，它取決于驅動電路是否能夠在它需要時提供足夠的電流，使電容Cgs快速充電。由于在第二段時，受“Miller”電荷及極間電容的影響，電容充電需要較長時間，造成MOSFET管開關損耗增加，產生大量的熱量。同時由于VDS電壓失去了線性的過程，開關導通時漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。在這整個過程中，MOSFET的開關損耗和功率損耗都增加，這就很容易造成MOSFET的燒毀。

所以在第二段迫切要求柵極驅動能夠提供足夠的電流，在短時間內為第二段曲線對應的柵極電容Cgs充電，使MOSFET迅速地開啟。同時，要提供一個合理的Vgs最佳平臺電壓（也就是總的QG），在此過程控制VDS電壓的線性度，使電流的變化和漏極電壓變化率相等，減少功率損耗。

利用MOSFET管及分立器件實現-48 V電源緩啟動需要優化電路設計，既要提供柵極電流，又要控制好漏源電壓的線性度，從而控制漏極沖擊電流，以減少MOSFET的損耗。

4 結論

文章闡述了MOSFET本身的寄生柵極電荷和極間電容，深入分解了MOSFET導通的5個階段，通過對MOSFET開關特性的分析指出了MOSFET導通過程開關損耗的來源，為直流-48 V電源緩啟動電路設計的優化提供了技術依據。

[1]劉家欣，肖大雛，姜勝.帶電插拔技術建模分析[J].電子世界,2004(3):56-57.

[2]王水平，孫珂，王禾.開關電源原理與應用設計[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3]周志敏.功率場效應晶體管MOSFET（二）[J].電源世界，2005(5):58-61.

[4]劉松，張龍，王飛，等.開關電源中功率MOSFET管損壞模式及分析[J].電子技術應用，2013(3):24-26.

[5]陳宗祥，束林，劉雁飛，等.基于電流源驅動的MOSFET管損耗模型及分析[J].電子自動化設備,2010(10):50-53.

[6]Mike,Speed,Jo.利用屏蔽柵極功率MOSFET技術降低傳導和開關損耗[J].今日電子,2011(4):38-39.