高邊(HS)開(kāi)關(guān)器件MOSFET的寄生源電感對(duì)控制開(kāi)關(guān)電流的下降沿時(shí)間起著舉足輕重的決定作用。本文將推導(dǎo)出方程式，描述在HSMOSFET中電流下降沿時(shí)間的損耗，并研究這些方程式以了解MOSFET參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)損耗的影響和如何優(yōu)化這些損耗。

圖1所示為同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖，該轉(zhuǎn)換器是PC機(jī)內(nèi)核心轉(zhuǎn)換器的主要?jiǎng)恿Α2和L3是寄生源電感，由MOSFET封裝引線源極電感和印刷電路板(PCB)寄生電感所組成。

圖2所示為實(shí)際電壓調(diào)節(jié)器模塊(VRM)的開(kāi)關(guān)波形。Ch1是圖1中上端(HS)MOSFET M1 的柵地(Gate-Ground)電壓；Ch2是同圖中HSMOSFET M1的源地(Source-Ground)電壓。圖2中的M1曲線是經(jīng)計(jì)算的Ch1-Ch2，代表HSMOSFET的柵-源電壓，而Ch3和Ch4 是M2和M1的漏極電流。在這個(gè)特殊的測(cè)試中，我們必須在圖1的M1和M2源極使用一個(gè)電流環(huán)路(部分由L2和L3代表)以進(jìn)行電流的測(cè)量。這會(huì)在電路中引入大的電感，從而使電路性能明顯改變。雖然這不是真實(shí)的電路，但卻可以幫助我們了解這些MOSFET在關(guān)斷過(guò)程中的損耗機(jī)理。M1清楚地顯示在柵極電壓關(guān)斷后，出現(xiàn)一段約2.5V的穩(wěn)態(tài)電壓，如圖2 ch1所示。在這個(gè)穩(wěn)態(tài)大約持續(xù)100ns的期間里，HS和LSMOSFET的漏極電流會(huì)改變狀態(tài)，HSMOSFET關(guān)斷，漏極電流(Ch4)將為0；LSMOSFET會(huì)導(dǎo)通，漏極電流(Ch3)將到達(dá)電感電流。這正是實(shí)際工作電路與目前我們對(duì)同步降壓轉(zhuǎn)換器工作原理的理解相矛盾之處。

1.下降沿的時(shí)間tf可由如下等式計(jì)算出來(lái)：

此處Ls=寄生源電感，a=MOSFET柵極閾值附近的正向跨導(dǎo)，V^gth=柵極閾值電壓，IL=負(fù)載電流。

2.動(dòng)態(tài)功耗Pd為：

將(1)代入(2)得到(3)，等式(3)表示作為下降沿時(shí)間(上式(1)中的tf)函數(shù)的動(dòng)態(tài)損耗。

仔細(xì)研究(3)可以發(fā)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)損耗有幾個(gè)分量與負(fù)載電流IL、IL^3/2和ln(IL)^1/2成正比。這與公式1中與IL的線性關(guān)系大不相同。這個(gè)復(fù)雜的關(guān)系說(shuō)明了先前未能解釋的現(xiàn)象--即高頻同步降壓轉(zhuǎn)換器(開(kāi)關(guān)頻率＞200KHz)的MOSFET在開(kāi)關(guān)電流增加時(shí)產(chǎn)生過(guò)高的功耗。

圖3描述了柵源極電壓和漏極電流之間的關(guān)系。注意柵極閾值電壓附近顯著的非線性特性，該非線性解釋了上述復(fù)合等式(1)中的下降沿時(shí)間tf。圖4所示由圖3計(jì)算出來(lái)的正向跨導(dǎo)。很顯然，跨導(dǎo)a是柵極閾值電壓之上柵-源極電壓的函數(shù)。

圖5在z軸上給出功耗，在x軸上給出柵極閾值電壓V^gth，在y軸上給出MOSFET正向跨導(dǎo)a。該圖形表明在5nH的寄生源電感存在的情況下，MOSFET的柵極閾值電壓對(duì)于整個(gè)HS開(kāi)關(guān)損耗(z軸)的重要影響。柵極閾值電壓越高，關(guān)斷損耗便會(huì)越低，而且效率也會(huì)越高。但是取得這種結(jié)果也需要付出代價(jià)，較高的柵極閾值電壓需要較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，要獲得相同的MOSFET導(dǎo)通電阻Rdson，就會(huì)導(dǎo)致更高的柵極驅(qū)動(dòng)器損耗。通常增益會(huì)超過(guò)損耗，并且能獲得效率的凈增長(zhǎng)。正向跨導(dǎo)對(duì)關(guān)斷時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗影響業(yè)很大。跨導(dǎo)的數(shù)值越大，功耗就越大，特別是在柵極閾值電壓較低時(shí)則更大。該現(xiàn)象可作如下解釋?zhuān)赫蚩鐚?dǎo)較大時(shí)，源極電感的反電動(dòng)勢(shì)必須較小，以來(lái)維持漏極電流，而較小的正向跨導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生較短的下降沿時(shí)間，并產(chǎn)生較低的功耗。

圖6描述z軸上功耗、負(fù)載電流以及柵極閾值附近MOSFET正向跨導(dǎo)之間的關(guān)系。仔細(xì)研究圖形得出結(jié)論：在小于10A的低電流條件下，柵極閾值電壓附近的正向跨導(dǎo)的影響很小，而在30A至40A的大電流情況下，MOSFET的正向跨導(dǎo)具有顯著的影響。

正如前面所說(shuō)：這是因?yàn)檩^低的跨導(dǎo)必須有較高的柵-源電壓才能使MOSFET傳導(dǎo)高的負(fù)載電流，較高的柵-源電壓可以加速關(guān)斷MOSFET，從而降低損耗�，F(xiàn)代MOSFET 通常擁有非常高的跨導(dǎo)值，因?yàn)樗鼈儽仨氁詢(xún)H僅高于柵極閾值電壓2.5V的