工作原理
MOSFET 损耗可分为取决于不同因素的几项。导通损耗取决于 I_rms² 和 R_ds(on)，并随温度上升。开关损耗取决于 V_ds、边沿电流和 f_s。计算器用数据手册参数算出每一项，让你看清应先解决哪一项。
开关时间来自栅极电荷。在米勒平台期间，栅极电流在开通时为 (V_drv − V_pl)/R_g，在关断时为 V_pl/R_g，用 Q_gd 除以它得到电压转换时间。电流转换使用 Q_gs 中从 V_th 到平台的部分，这里估算为 Q_gs·(V_pl − V_th)/V_pl。
半桥的两个位置差别很大。硬开关 FET 承担 V·I 交叠、C_oss 能量和对侧二极管的恢复电荷。同步 FET 在几乎没有电压时开关，只有导通损耗和每个死区内短暂的二极管导通。它的 Q_rr 和 E_oss 也是真实损耗，但热量产生在另一器件中。只有这个封装内的热量决定这里的 T_j，所以计算器把两者分开。
R_ds(on) 取决于 T_j，T_j 又取决于损耗，因此需要迭代到数值稳定。扫描在每个频率重复这一计算，并找出频率相关损耗超过导通损耗的位置。
设计步骤
- 1按损耗最大的条件输入工作点。降压通常是最大电流和最高输入电压。
- 2在接近实际电压和电流的数据手册条件下读取 Q_gs、Q_gd、V_pl 和 Q_rr。
- 3查看最大项。如果是导通，降低 R_ds(on) 有效。如果是开关，R_ds(on) 低的器件通常栅极电荷更大，可能反而更差。
- 4开关损耗占主导时降低 R_g 或 f_s。改变 R_g 后要重新检查振铃和死区。
- 5用死区计算器调整同步 FET 的死区，用热计算器核算实际散热路径。
- 6在相信开关数值之前，先用双脉冲测试确认。
公式
- 导通
- P_cond = I_rms² · R25 · (1 + α·(T_j − 25))
- 开通时间
- Q_gs2 ≈ Q_gs·(V_pl − V_th)/V_pl; t_ri = R_g·Q_gs2/(V_drv − V_pl); t_fv = R_g·Q_gd/(V_drv − V_pl)
- 关断时间
- t_rv = R_g·Q_gd/V_pl; t_fi = R_g·Q_gs2/V_pl
- 硬开关损耗
- P_sw = ½·V_ds·I_on·(t_ri + t_fv)·f_s + ½·V_ds·I_off·(t_rv + t_fi)·f_s
- 输出电容
- P_oss = E_oss·f_s = ½·C_oss(er)·V_ds²·f_s
- 体二极管
- P_D = V_f·(I_on + I_off)·t_dead·f_s; P_rr = Q_rr·V_ds·f_s
- 栅极驱动
- P_gate = Q_g·V_drv·f_s
- 结温
- T_j = T_a + P(T_j)·R_thJA
计算示例
考虑 48 V 转 12 V、10 A 的同步降压，纹波 3 A，200 kHz，D = 0.25。器件参数是说明用的 100 V FET，并非特定型号：25 °C 时 5 mΩ，α = 0.4 %/K，Q_g 60 nC，Q_gs 18 nC，Q_gd 12 nC，V_th 3 V，V_pl 4.8 V，驱动 10 V，5 Ω，C_oss(er) 400 pF，V_f 0.9 V，Q_rr 60 nC，死区 60 ns，环境 50 °C，20 K/W。硬开关 FET 的 t_ri 为 6.5 ns，t_fv 为 11.5 ns，t_rv 为 12.5 ns，t_fi 为 7.0 ns。开通 0.74 W，关断 1.08 W，C_oss 0.09 W，反向恢复 0.58 W，而导通在 5.02 A rms 下只有 0.17 W。合计 2.65 W，T_j 为 102.9 °C。开关损耗在约 11 kHz 超过导通损耗，同一器件在 500 kHz 会达到 178 °C。同步 FET 流过 8.69 A rms，在 T_j 63.0 °C 时导通损耗 0.44 W。二极管在死区增加 0.22 W，并在另一 FET 中造成 0.58 W 反向恢复损耗。沟道 0.44 W，而体二极管相关的有 0.79 W，超出多数人的预期。
常见错误
- 用 25 °C 的 R_ds(on) 做热设计。结温 100 °C 时这个器件约高 30 %。
- 认为数据手册的 R_thJA 适用于自己的电路板。该值基于指定测试板，应改用热测量或散热路径计算。
- 漏掉 Q_rr。本例中反向恢复损耗大于硬开关 FET 的导通损耗。
- 对非线性 C_oss 不区分 Q_oss·V 和 E_oss。两者不同，超结器件差别最大。
- 把这些开关时间当作精确值。它们忽略了源极电感、栅极回路振铃以及 Q_gd 随 V_ds 的变化。
常见问题
开关损耗有多准？
按 ±50 % 看待。栅极电荷估算忽略封装和布线电感，数据手册的 Q_gd 只在一个电压和电流下测得。用来比较器件、找出主要损耗项已经足够。实际能量要靠双脉冲测试。
为什么同步 FET 的开关损耗为零？
沟道开通时体二极管已在导通，沟道关断时由它接过电流。边沿期间器件两端只有约 1 V，V·I 交叠可以忽略。与它相关的损耗是二极管导通、反向恢复和 C_oss。
Q_rr 损耗去了哪里？
大部分进入硬开关 FET，它要在承受大部分母线电压时提供恢复电荷。二极管在急速关断时承担较小部分。计算器把 Q_rr·V_ds·f_s 全部算到硬开关一侧，对该器件略偏保守，对同步 FET 略偏乐观。
C_oss(er) 和 C_oss(tr) 有什么区别？
C_oss(er) 是能量等效值，即在给定电压下与非线性 C_oss 储存相同能量的恒定电容。C_oss(tr) 是时间等效值，给出相同电荷。计算损耗时用能量等效值。
适用于 SiC 和 GaN 吗？
结构相同，但每一项都要核对。SiC 体二极管 V_f 约 3 到 4 V，死区代价更高。GaN 没有通常意义上的 Q_rr，反向压降随栅极驱动变化，请按其数据手册设置 V_f 和 Q_rr。
参考文献
- D. Graovac, M. Pürschel, A. Kiep, "MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters," Infineon Technologies, Application Note, V1.1, 2006.
计算结果为工程估算值，请结合数据手册、仿真和实测验证设计。