當下公認的MOSFET品質(zhì)因數(shù)還有意義嗎

我們都習慣于將RDS(on)和Qg的乘積視為MOSFET的品質(zhì)因數(shù)。但是，由于現(xiàn)在的柵極驅(qū)動器能夠有效地滿足較大的Qg需求，而且開關頻率更快，可以創(chuàng)建更小、更高效的系統(tǒng)，因此一些經(jīng)常被忽略的參數(shù)已經(jīng)上升到“系統(tǒng)關鍵”的程度。那么，傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)定義還有意義嗎？

從導通和開關性能的角度來看，我們都習慣于將MOSFET的品質(zhì)因數(shù)(FOM)視作漏極至源極通態(tài)電阻RDS(on)和柵極電荷Qg的乘積。

FOM = RDS(on) x Qg

在下定義時，這是一個很好的指標，但現(xiàn)在大多數(shù)MOSFET的Qg均已得到優(yōu)化。 在不斷追求更小、更高效系統(tǒng)的過程中，新一代柵極驅(qū)動器不斷出現(xiàn)，驅(qū)動較大Qg值也變得更加容易和快捷，因此我們可以看到其他參數(shù)已成為“系統(tǒng)關鍵”。如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，就會導致制造商忽視其他關鍵參數(shù)，而將資源花費在進一步優(yōu)化得到更好的Qg。

2018年初，我們討論了經(jīng)常被忽視和低估的反向恢復電荷Qrr，以及它對電壓峰值和效率的影響。由于傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)定義通常作為MOSFET選型限制因素，因此對于當下的電機驅(qū)動和SMPS拓撲，我們需要詳細地說明Qrr的重要性以及為什么Qg的關鍵性在不斷下降。實際上，對于這些應用，我們甚至建議需要重新定義MOSFET的品質(zhì)因數(shù)，以便我們可以從不同應用中選擇合適的MOSFET，以提高效率、簡化設計，滿足電壓峰值和EMI特性等要求。

現(xiàn)在需要進一步了解MOSFET品質(zhì)因數(shù)和Qg的影響

從最純粹的意義上講，Qg用于給定柵極驅(qū)動電流下的開關時間，并可對MOSFET開關性能進行實際比較。例如，理論上，由1 A源電流和灌電流驅(qū)動的50 nC MOSFET可以在50 ns內(nèi)打開，然后在另一個50 ns內(nèi)關斷。因此，對于任何給定的柵極驅(qū)動電流，具有較低Qg的MOSFET可以更快地打開和關閉，從而有可能減少開關損耗。

但是，實際情況并不是如此簡單。讓我們以50 nC MOSFET開關48 V線路為例。如果使用5 A驅(qū)動，MOSFET可以在10 ns內(nèi)關閉，但這將導致巨大dv/dt達到48000 V/μs。這就是為什么幾乎所有應用都使用外部柵極電阻(Rg)來控制dv/dt及其相關影響的原因。在設計階段調(diào)整Rg對實現(xiàn)所需的開關性能有很大的影響。

在之前系統(tǒng)中，控制器的柵極驅(qū)動能力是一個限制因素，尤其是在并聯(lián)MOSFET的應用中。但是，當下控制器的柵極驅(qū)動能力已經(jīng)大大提高。在更復雜的拓撲結(jié)構(gòu)中，簡單的外部柵極驅(qū)動級可以輕松提供足夠的源電流和灌電流，由此在大多數(shù)實際條件下驅(qū)動數(shù)百nC。

即使在效率方面，從整個系統(tǒng)的角度來看，柵極充放電所涉及的損耗通常也僅占系統(tǒng)額定功率的一小部分，這在大多數(shù)應用中可以忽略不計。因此，對于大多數(shù)應用，即使Qg的差異巨大，產(chǎn)生的實際影響也非常小，甚至是沒有影響。但是，值得注意的是，此功率會在柵極驅(qū)動組件（外部Rg和柵極驅(qū)動器）中耗散，因此在選擇這些組件時需要考慮適當?shù)纳帷?/p>

下面顯示了在某些實際應用中的損耗。

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Qrr在開關應用中的影響

當MOSFET的體二極管允許導通時，Qrr的影響就會突顯出來。而這種情況在同步整流應用中很常見，尤其是在連續(xù)導通工作模式期間。

Qrr和直通-同步降壓拓撲

在死區(qū)期間，高邊和低邊FET均關閉，從而使低邊體二極管導通續(xù)流電流。這樣會產(chǎn)生存儲電荷(Qrr)。當高邊FET打開時，該電荷會以瞬間直通的形式被移除。高邊FET的打開速度決定了恢復電流的di/dt。 ?除了恢復損耗外，反向恢復電流與電路的寄生雜感可能會導致電壓峰值。

Qrr和直通-BLDC全橋拓撲

在全橋轉(zhuǎn)換的第5階段中，Q2的體二極管在導通電流的同時被反向偏置。這會導致恢復電流流過Q1和Q2的體二極管，進而產(chǎn)生直通場景，直到Q2的體二極管完全恢復為止。在恢復瞬間，電流路徑中的寄生電感會導致電壓擺幅，以嘗試保持路徑中的電流。該電壓偏移與路徑中的寄生元件組合，導致在開關節(jié)點處產(chǎn)生振鈴紋波，從而導致EMI。

Qrr和直通-反激拓撲和其他SMPS拓撲

Qrr在反激拓撲和其他SMPS拓撲中的影響（尤其是在連續(xù)導通模式下）是巨大的。當考慮原邊MOSFET關閉時的反激拓撲，能量從原邊傳遞到副邊（電流由藍色箭頭表示）。但是，就在下一個周期開始時，在原邊打開之前，同步控制器會關斷MOSFET，以防止直通，進而在剩余時間內(nèi)使體二極管導通。當原邊在下一個周期的開始時打開，副邊MOSFET會沿反方向?qū)?，直到恢復存儲電荷，從而導致瞬間直通。

將Qrr用于新的MOSFET品質(zhì)因數(shù)

與Qrr相關的直通是SMPS故障的主要原因之一。此外，與Qrr相關的電壓峰值和dv/dt使緩沖器設計復雜且產(chǎn)生損耗，并且還會導致EMI干擾。Qrr影響意味著它不僅對于效率至關重要，而且對于簡化系統(tǒng)設計及可靠性也非常重要。

鑒于Qrr參數(shù)在開關應用中影響不可忽視，因此強烈建議在選擇MOSFET時將其考慮在內(nèi)。與Qg相比，Qrr對系統(tǒng)的整體運行效率有很大影響。如果您之前忽略這些開關參數(shù)，現(xiàn)在就不應該再忽略Qrr了。

審核編輯：郭婷