功率MOSFET應(yīng)用中，功率損耗將導致熱產(chǎn)生，主要由通態(tài)損耗、開關(guān)損耗組成，這也是工程師在應(yīng)用中主要針對優(yōu)化的地方。功率損耗的降低，可以從硬件、軟件兩個層面著手。本文先聊聊硬件層面的降損耗方案。
以下組成損耗的8個部分∶
1、導通功率損耗;
2、截止功率損耗;
3、開啟過程功率損耗;
4、關(guān)斷過程功率損耗;
5、驅(qū)動功率損耗;
6、Coss電容泄放損耗;
7、寄生二極管正向?qū)〒p耗
8、寄生二極管反向恢復損耗
針對前文提到的8個損耗組成部分，逐一探討硬件層面降低損耗的可行性。
1、導通功率損耗
導通功率損耗主要來源于功率電流在通態(tài)電阻Rds（（on）上產(chǎn)生的熱。
從公式來看，漏極電流IDS和溫度系數(shù)K不變的前提下，降低通態(tài)損耗的方式/只有降低通態(tài)電阻Rds（on）和減小占空比。
電機控制中，占空比改變影響轉(zhuǎn)矩輸出，這涉及控制性能，需要綜合考量，這里關(guān)注通態(tài)電阻的減小。
功率MOSFET的損耗文章會提到，通態(tài)電阻Rds（on）受溫度和載流子濃度影響。
可以從兩方面來降低通態(tài)電阻∶
A、優(yōu)化器件本身的設(shè)計及工藝;
B、優(yōu)化外部散熱。
相比于VDMOS，Trench MOSFET擁有更低的導通電阻、更大的導通電流和更快的開關(guān)速度，在中低壓領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。
導通電阻與芯片面積成反比，但增加芯片面積降低導阻，成本的提升往往是商業(yè)類產(chǎn)品不能允許的;而引入少數(shù)載流子導電，可以降低導通壓降，但開關(guān)速度將受影響且出現(xiàn)拖尾電流、開關(guān)損耗增加。
所以針對Rds（on）的優(yōu)化，建議一般從如下兩個方面優(yōu)化∶在設(shè)計選型階段，綜合考量的情況下，盡量選擇小的Rds（on）的MOSFET;注重散熱器的設(shè)計，完全導通狀態(tài)下，Rds（on）為正溫度系數(shù)。
2、截止功率損耗
截止損耗來源于漏電流IDSS造成的損耗，先了解漏電流如何產(chǎn)生。根據(jù)PN結(jié)的伏安特性曲線，當加反向電壓時，在第三象限，有一段不隨電壓變化的電流段（溫度不變的情況下），該段即為PN結(jié)的反向飽和電流。
根據(jù)MOSFET結(jié)構(gòu)，漏源之間是兩個PN結(jié)，那么就不可避免出現(xiàn)反向飽和電流的情況，也就產(chǎn)生所說的漏電流。
從上文PN結(jié)的伏安特性曲線可知，在一定范圍內(nèi)，飽和漏電流的大小與電壓無關(guān)，與溫度相關(guān)。所以針對截止功率損耗，可以在MOS選型階段，關(guān)注反向飽和漏電流這一指標。
另一方面，溫度對其影響較大，所以保證系統(tǒng)在停機截止狀態(tài)時，熱量能夠散出，就幾乎能夠忽略該損耗了。
3、開啟過程功率損耗
開啟過程損耗是由于MOSFET開啟過程中逐漸下降的漏源電壓VDS與逐漸上升的漏源電流IDS交叉重疊部分造成的能量損耗。
從波形來尋找降低損耗的方法，即減小交匯處的面積Poff-on!
應(yīng)用中可以通過如下方式優(yōu)化∶
1）調(diào)節(jié)開通速度
提到開通損耗降低，開啟速度往往會成為大家首先調(diào)節(jié)的對象。降低門極驅(qū)動電阻，減小門極電容是最直接有效的方式。另一方面，保證驅(qū)動電壓在額定范圍內(nèi)，越高開通速度越快。
需要注意的是過快的開通，會導致電流的快速上升，由于雜散電感的存在，會產(chǎn)生較高的電壓尖峰，從而損壞器件，所以需要綜合考量開通速度。
2）軟開啟電路
軟開啟電路主要是錯開電壓和電流峰值交匯，讓電流升高到較高值之前，電壓值已經(jīng)/快要降低到0V了，通過適配電路，實現(xiàn)ZVS a（零電壓開通）、ZCS（零電流開通）
針對開通階段的ZVS與ZCS，需要關(guān)注以下問題∶
零電流開通∶
零電流開通主要是利用DCM模式下，電感電流不能突變，從而實現(xiàn)MOS開通時漏極電感電流為零。但是零電流開通不能消除漏極電荷損耗。在CCM模式下，零電流開通必須要通過輔助開關(guān)來實現(xiàn)（至少兩個開關(guān)協(xié)同工作）。
零電壓開通∶
零電壓開通主要通過輔助電路將Cds+Cgd上的電荷實現(xiàn)轉(zhuǎn)移走，從而消除開通損耗和"漏極電荷損耗。
LLC諧振∶
LLC諧振軟開關(guān)是傳統(tǒng)軟開關(guān)的最佳實踐，通過幾個開關(guān)之間的協(xié)作，以及增加輔助電感和電容，達到MOS的零電壓開關(guān)，從而基本消除了了開關(guān)損耗和漏極電荷損耗。
但是不可避免的，為實現(xiàn)零電壓關(guān)斷需要在漏源之間并聯(lián)很大的電容來吸收關(guān)斷電流，從而在/大電流應(yīng)用中導致巨大的能量在輔助電感和輔助電容組成的網(wǎng)絡(luò)中震蕩。
由于電源滿載與/輕載時漏極存儲的電荷量不同，所以為了滿足固定的諧振頻率，PWM控生器必須變頻工作。
4、關(guān)斷過程功率損耗
關(guān)斷過程損耗是由于MOSFET關(guān)斷過程中逐漸下降的漏源電流IDS與逐漸上升的漏源電壓VDS 交叉重疊部分造成的能量損耗。
從波形來尋找降低關(guān)斷損耗的方法，也是減小交匯處的面積PoN oFF!且波形類似，所以優(yōu)化方式也相同，即∶
1）調(diào)節(jié)關(guān)斷速度
2）軟關(guān)斷電路
關(guān)斷速度的調(diào)節(jié)同開通速度的調(diào)節(jié)一樣，主要從門極的驅(qū)動參數(shù)和驅(qū)動電源等方面優(yōu)化。而針對關(guān)斷階段的ZVS與ZCS，需要關(guān)注以下問題∶
零電壓關(guān)斷
零電壓關(guān)斷主要是利用電容電壓不能突變的特性，將MOS管上的電流轉(zhuǎn)移到Cds中去，從而保證MOS電流為零時Vds仍然保持一個比較低的值，降低關(guān)斷損耗。
但是這帶來一個問題，在大電流情況下為鉗位Vds必須保證Cds足夠大，而過大的Cds實際上是將關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移。到漏極電荷損耗中。
零電流關(guān)斷∶
通常MOS的零電流關(guān)斷不容易很直觀的實現(xiàn)，除非事先將MOS上的電流轉(zhuǎn)移到其他的地方（通常需要輔助開關(guān)協(xié)同實現(xiàn)）。事實上，零電壓關(guān)斷最終也會達成零電流關(guān)斷（相當于MOS上的電流被轉(zhuǎn)移到Cds中了）
如果使用了輔助開關(guān)，則需要注意MOSFET的誤導通問題。
5、驅(qū)動功率損耗
如右圖所示，為常見的驅(qū)動回路電路。驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進行驅(qū)動造成的損耗。
驅(qū)動方式不一致，驅(qū)動效率則會存在差/異，同樣的驅(qū)動輸出功率條件下，造成的損耗。也會不同。如下的計算公式則得出了同一器件應(yīng)用時，驅(qū)動功率損耗的最大值∶
PGS= VGSQgfs
根據(jù)公式尋找降低其損耗方式，需要在設(shè)計階段，關(guān)注三個變量∶
1）器件的Qg值;
2）驅(qū)動電壓設(shè)定;
3）工作頻率。
需要注意，不能為降低損耗，選擇較小的參數(shù)，否則會對系統(tǒng)其他性能產(chǎn)生影響。比如驅(qū)動電壓VGS這一參數(shù)，數(shù)值偏小，只要高于閾值電壓，器件仍能導通，但是卻可能使器件工作于半導通狀態(tài)，此時通態(tài)損耗會很大，影響系統(tǒng)性能。若選型’時，選擇Qg較小的器件，則會導致器件更容易達到開啟條件，誤導通風險增加。
一般來說驅(qū)動損耗不會太大，設(shè)計時不用刻意減小它而影響其他性能，如果一定需要優(yōu)化，最好/的思路是提升驅(qū)動效率。因為圖騰柱驅(qū)動、光耦隔離驅(qū)動、變壓器隔離驅(qū)動效率是不同的，因而驅(qū)動損耗（即驅(qū)動電路發(fā)熱）是不同的。不同的驅(qū)動IC、不同的設(shè)計水平是不同的，也會針對該損耗有優(yōu)化的可能。
6、Coss電容泄放損耗
指輸出電容Coss在MOSFET截止期間存儲的電場能，在MOSFET導通期間，在漏源極上的泄放損耗。
實際過程中，由于Coss影響，大部分電流從MOSFET中流過，流過Coss的非常小，甚至可以忽略不計，因此Coss的充電速度非常慢，電流VDS上升的速率也非常慢。即∶
因為Coss的存在，在關(guān)斷的過程中，由于電容電壓不能突變，因此VDS的電壓一直維持在較低的電壓，功率損耗很小。
因為Coss的存在，在開啟的過程中，電容電壓不能突變，因此VDS的電壓一直維持在較高的電壓，實際的功率損耗很大。
Coss泄放損耗計算公式為∶
PDS=1/2VDS2Cossfs
Coss放電產(chǎn)生的損耗主要在開通階段，和容值、頻率成正比，和電壓的平方成正比。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中，Coss對應(yīng)產(chǎn)生的功耗就是Eoss。
應(yīng)用設(shè)計優(yōu)化的方向主要還是從Coss電容入手。其由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd組成，但一般很難優(yōu)化Cgd，因為其往往在模塊或單管成型時就已經(jīng)成定直了，且還與Cgs構(gòu)成Ciss輸入電容，對其改變會影響米勒平臺的情況。
所以主要是針對Cds做優(yōu)化，根據(jù)實際測試效果，選擇并聯(lián)合適的Cds電容，既不能為了吸收尖峰而并聯(lián)過大的Cds，因為其存儲的能量在開通階段會大/量釋放，導致?lián)p耗增加，甚至導致諧振，影響正常的性能。也不能為了減小損/想耗，而過于減小電容，否則電壓尖峰將會很頭疼。需要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境找到最A優(yōu)值。
7、寄生二極管正向?qū)〒p耗
寄生二極管正向?qū)〒p耗不可忽視，特別是在大電流應(yīng)用環(huán)境中，該損耗必須嚴格把控。
此處損耗主要發(fā)生在功率器件續(xù)流期間。
計算公式如下∶
Pd_f=IF"VDFt3*fs
IF為二極管正向電流，VDF為二極管正向?qū)▔航?，t3為二極管正向續(xù)流時間。
從應(yīng)用層面考慮，主要從VDF優(yōu)化該損耗，在設(shè)計選型階段，選擇VDF低的器件。
另外可以外部搭建電路，即不使用模塊寄生二極管續(xù)流，外部加電路，使用外部二極管續(xù)流，使續(xù)流階段產(chǎn)生的損耗不疊加到功率器件上，從而提升器件的使用性能。
由于D2的存在，將會使導通損耗增加，雖然增加的損耗也并未疊加到MOSFET上，但整個系統(tǒng)的效率會因此降低，且D1、D2的選型及散熱處理會比較費腦筋，只推薦在部分應(yīng)用場景中使用該電路。
8、寄生二極管反向恢復損耗ve
反向恢復就是正向?qū)〞rPN結(jié)存儲的電荷耗盡，恢復成截止狀態(tài)的過程。完成該過程需要的能量便是損耗的構(gòu)成。
右圖所示為反向恢復階段電流的功率器件內(nèi)電流的方向，Irss即為反向恢復電流，此階段流過下橋的電流為電感電流與上橋反向恢復電流之和。表現(xiàn)到下橋的電流波形，則是會在下橋開啟處，出現(xiàn)一個電流尖峰。其大小受開啟速度影響。此處主要優(yōu)化的是Irss變?yōu)?之前其造成的損耗。
反向恢復過程有一個參數(shù)尤為關(guān)鍵∶trr（反向恢復時間）。其影響功率MOSFET的安全工作區(qū)。
反向恢復時間過長，將導致反向恢復損耗增大，更為嚴重的影響是影響工作頻率，因為時間過長，導致預留的死區(qū)必須更大，才能保證安全。
反向恢復時間過短，則額定電流下，di/dt會變得很大，由于雜感存在，會導致反向恢復階段產(chǎn)生很高的尖峰，從而損壞器件。
針對反向恢復階段的損耗， 可以從以下三個方面來優(yōu)化∶
1）控制合適的開關(guān)速度來控制反向恢復時間以降低損耗及使器件工作在安全區(qū)域;2）同時優(yōu)化布線，減少雜感，可以對損耗降低起很大的作用。
）當前面兩種辦法優(yōu)化后，還需要優(yōu)化的時候， 建議選擇恢復特性較軟的MOSFET。
總結(jié)
要給功率MOSFET降溫，減少其損耗，經(jīng)過前文探討，硬件降溫主要分為應(yīng)用層面和MOSFET產(chǎn)品兩個層面去優(yōu)化∶
1、MOSFET產(chǎn)品層面∶
1）降低Rds（on）;
2）優(yōu)化寄生電容Cgd;
3）優(yōu)化寄生二極管導通壓降
4）優(yōu)化寄生二極管反向恢復軟度;
5）優(yōu)化MOSFET產(chǎn)品內(nèi)部雜散電感。
2、應(yīng)用層面∶
1）優(yōu)化開關(guān)速度;2）提升驅(qū)動效率3）優(yōu)化Cds吸收電容參數(shù);
4）優(yōu)化布局走線，減小外部雜散電感;
5）注重散熱設(shè)計，防止受溫度影響大的參數(shù)改變，導致?lián)p耗增加;
6）一些特殊使用場合，為保護器件，可以使用特殊電路來轉(zhuǎn)移損耗。如ZVS/ZCS電路、外部二極管續(xù)流電路等。
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