如何降低MOSFET损耗并提升EMI性能

1、如何降低MOSFET损耗并提升EMI性能MOSFET作为主要的开关功率器件之一，被大量应用于模块电源中。理解MOSFET的损耗组成并对其分析，有利于优化MOSFET损耗，进步模块电源的功率；但是一味的减少MOSFET的损耗及其他方面的损耗，反而会引起更严重的EMI问题，导致整个系统不能稳定工作。所以需要在减少MOSFET损耗的同时兼顾模块电源的EMI性能。开关管MOSFET的功耗分析MOSFET的损耗主要有以下部分组成：1通态损耗；2导通损耗；3关断损耗；4驱动损耗；5吸收损耗。随着模块电源的体积减小，需要将开关频率进一步进步，进而导致开通损耗和关断损耗的增加，例如，300kHz的驱动频率下，

2、开通损耗和关断损耗的比例已经是总损耗主要部分了。MOSFET导通与关断过程中都会产生损耗，在这两个转换过程中，漏极电压与漏极电流、栅源电压与电荷之间的关系如图1和图2所示，现以导通转换过程为例进展分析：totl区间：栅极电压从0上升到门限电压Uth，开关管为导通，无漏极电流通过这一区间不产生损耗；t1-t2区间：栅极电压到达Vth，漏极电流ID开始增加，到t2时刻到达最大值，但是漏源电压保持截止时高电平不变，从图1可以看出，此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大；t2-t3区间：从t2时刻开始，漏源电压VDS开始下降，引起密勒电容效应，使得栅极电压不能上升而出现平台，t2-t3时刻电

3、荷量等于Qgd，t3时刻开始漏极电压下降到最小值；此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大。t3-t4区间：栅极电压从平台上升至最后的驱动电压模块电源一般设定为12V，上升的栅压使导通电阻进一步减少，MOSFET进入完全导通状态；此时损耗转化为导通损耗。关断过程与导通过程相似，只不过是波形相反而已；关于MOSFET的导通损耗与关断损耗的分析过程，有很多文献可以参考，这里直接引用?张兴柱之MOSFET分析?的总结公式如下：备注：tr为上升时间，f为开关频率，tf为下降时间，Qg为栅极电荷，VGS为栅极驱动电压，PCDs为MOSFET体二极管损耗。MOSFET的损耗优化方法及其利弊关系1

4、通过降低模块电源的驱动频率减少MOSFET的损耗从MOSFET的损耗分析可以看出，开关电源的驱动频率越高，导通损耗、关断损耗和驱动损耗会相应增大，但是高频化可以使得模块电源的变压器磁芯更小，模块的体积变得更小，所以可以通过开关频率去优化开通损耗、关断损耗和驱动损耗，但是高频化却会引起严重的EMI问题。金升阳DC/DC R3产品，采用跳频控制方法，在轻负载情况下，通过降低模块电源的开关频率来降低驱动损耗，从而进一步进步轻负载条件下的效率，使得系统在待机工作下，更节能，进一步进步蓄电池供电系统的工作时间，并且还可以降低EMI的辐射问题；2 通过降低，来减少MOSFET的损耗典型的小功率模块电源小于

5、50W大多采用的电路拓扑构造为反激形式，典型的控制电路如图3所示；从MOSFET的损耗分析还可以知道：tr与开通损耗成正比、tf与关断损耗成正比；所以可以通过减少tr、tf来减少MOSFET的损耗。通常情况下，可以减小MOSFET的驱动电阻Rg来减少tr、tf时间，但是此优化方法却带来严重的EMI问题；以金升阳URB2405YMD-6WR3产品为例来说明此项问题：1URB2405YMD-6WR3采用10Q的MOSFET驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：2URB2405YMD-6WR3采用O的驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：从两种不同的驱动电阻测试结果来看，虽然都可以通过EN55022的辐射骚扰度

6、的CLASS A等级，但是采用O的驱动电阻，在程度极化方向测试结果的余量是缺乏3dB的，该方案设计不能被通过。3 通过降低吸收电路损耗来减少损耗在模块电源的设计过程中，变压器的漏感总是存在的，采用反激拓扑式构造，往往在MOSFET截止过程中，MOSFET的漏极往往存在着很大的电压尖峰，一般情况下，MOSFET的电压设计余量是足够承受的，为了进步整体的电源效率，一些电源厂家是没有增加吸收电路吸收电路如图3标注RCD吸收电路和RC吸收电路来吸收尖峰电压的。但是，不注意这些吸收电路的设计往往也是导致EMI设计不合格的主要原因。以金升阳URF2405P-6WR3的吸收电路采用如图3中的RC吸收电路为例：1驱动电阻Rg为27，无RC吸收电路，辐射骚扰度测试结果如下：2驱动电阻为27；吸收电路为电阻R和C5.1470pF，辐射骚扰度测试结果如下：从两种不同的吸收电路方案测试结果来看，不采用吸收电路的方案，是不能通过EN55022辐射骚扰度的CLASS A等级，而采用吸收电路，那么可以解决辐射骚扰度实验不通过的问题，通过不同的RC组合方式可进一步降低辐射骚扰。总结MOSFET的功耗优化工作实际上是一个系统工程，部分优化方案甚至会影响EMI的特性变化。上述案例中，金升阳R3系列产品将节能环保的理念深化到电源的开发过程中，很好地平衡了电源整体效率与EMI特性，从