MOSFET损耗分析与计算

1. MOSFET损耗概述

MOSFET作为开关电源的核心组件，在评估电源效率时，其选型至关重要。不合适的MOSFET会导致显著的发热问题，从而降低整体效率。因此，理解并计算MOSFET的损耗对于提高电源性能具有重要意义。

2. MOSFET损耗的分类

2.1 开关损耗

MOSFET在开关电源中承担开关角色，其开通和关断过程并非瞬时完成。电压和电流的变化存在重叠区，这导致了所谓的“开关损耗”。类似于水龙头的操作，MOSFET在开通和关断过程中会产生能量损失。具体来说，开关损耗发生在MOSFET从关闭状态切换到导通状态（或反之）的过程中，此时电压和电流同时存在，形成功率损耗。

开通过程如图所示，当电流Id从0开始上升至VDS减小为0时，即为MOSFET的开通过程。

2.2 导通损耗

理想情况下，MOSFET导通时应等效于零电阻导线。然而，实际应用中MOSFET导通后仍存在一定阻值，称为导通电阻（Rdson）。该电阻会随栅源电压（VGS）变化而变化，完全导通时趋于稳定。因此，MOSFET的导通损耗主要由导通电阻引起，表现为功率损耗P=I²R。

2.3 驱动损耗

在MOSFET未完全导通之前，驱动芯片需要对栅极进行充电，这一过程也会产生能量损耗，称为驱动损耗。驱动损耗取决于驱动芯片的驱动功率及MOSFET的栅极电荷（Qg）。因此，选择合适的驱动芯片和MOSFET型号对于减少驱动损耗至关重要。

3. MOSFET损耗计算实例

3.1 基于BUCK变换器的计算

假设有一个降压电源，参数如下：
输入电压：Uin=12V
输出电压：Uout=1.8V
开关频率：f=500kHz
负载电流：Io=20A
纹波系数：r=0.4
选用凌特公司的BSC050N03 MOSFET，其参数如图所示。

接下来计算该开关电源的MOSFET损耗。

3.2 MOSFET损耗计算

1. 导通损耗
MOSFET导通损耗公式为：P=I²R = Rdson * Iqsw² * D = 20² * 6 * (1.8/12) = 0.36W

2. 开关损耗
开关损耗公式为：Psw=0.5 * Vin * Iout * Fs * (Qgs2 + Qgd) / Ig。

仅计算开通损耗有：Psw=0.5 * 12 * (20 - 4) * 500k * (6n / 5) = 0.576W
仅计算关断损耗有：Psw=0.5 * 12 * (20 + 4) * 500k * (6n / 1) = 0.432W
Ig由所选驱动芯片决定，例如LTC3883，驱动电压Vgs=5V

3. 驱动损耗
Pgate=Vg * Qg * fs = 5 * 13n * 500k = 0.0325W

MOSFET总损耗：P=0.36 + 0.576 + 0.432 + 0.0325 = 1.4W

参考资料：ADI电源关键参数的测试与优化