原创 传导损失与切换损失

Efficiency博士：

您好！请问一下，当我在顺向式转换器架构上使用同步整流线路的时候，为什麽使用耐电流较大及RDSON较低的同步整流MOSFET之後，效率却没有显着提升呢？耐电流大以及R_DSON低的MOSFET，不是应该提升效率吗？这是什麽缘故？ - 王小明

王小明：

    您好！您的观念是没错的，但是也只讲对一半。关於这个问题，我们必须从两个方面来切入。

以半导体开关而言，所谓的功率损耗主要来自於两个方面，一个是传导损失(conduction loss) 另一个是切换损失(Switching loss)。传导损失分来自: R_DSON的损失与I_D在dead time区间流经body diode的损失。切换损失的成份大略可以分为三种：来自於MOSFET从截止到导通以及导通转态到截止时电流与电压的交越，寄生电容C_oss在切换上的能量损耗，以及MOSFET的body diode本身trr时间造成的影响。

传导损失
1.  P_{Loss,conduction} = I²DS-conduction, RMS  * R_DS,ON

2.  P_{Loss,conduction} = I_DS-dead time, RMS  * V_SD

切换损失

1.  P_{Loss,switching}, 1 = f_switching  * ∫0^total V_DS * I_Ddt

2.  P_{Loss,switching}, 2 = ½ C_ossV_DS2f_switching 

3.  P_{Loss,switching}, 3 = ¼ I_DSt_rrV_DSf_switching 

由上列式子可以看出来，切换损失与切换频率有着相当的关联性。又，对於在dead time区间的传导损失来说，因为dead time通常为固定，故此损失比重将会随着切换频率提高或降低而改变。一般而言，在固定功率输出下，频率越高则切换损失所占的成份越大，而频率降低的时候传导损失所占的比例增加。

以切换损失成份分析而言，在同步整流架构中，由於在MOSFET导通前body diode会先被飞轮电流给导通，一般而言body diode的导通压降均小於2V，故式(1)的成份所的影响不大。

式(2)代表的是MOSFET上寄生电容对於切换的影响，由於C_oss为汲极到源极的等效电容，其上的跨压为V_ds上所承受的跨压相等，此损失将与切换频率以及V_ds跨压成正比。若要验证是否大部分的损失来自於C_oss，我们可以在汲极到源极端并联小电容使两颗MOSFET的C_oss接近，利用算式分析即可了解效率是否因此而无法显着提升。

最後，在顺向式半桥架构，二次侧电流常保持在连续电流模式下，故trr对於切换损失的影响也不容小觑。要分辨是否效率无法提升的原因是源於t_rr的影响，我们可以在整流MOSFET端并联一个萧特基二极体(schottky diode )，若是并联之後发现效率明显提升了，那麽在选用SR MOSFET时候，挑选t_rr较低的MOSFET会有比较好的效果。

那麽，回到你的问题，以同系列的MOSFET而言，R_DSON越低带来较大寄生电容值。举例来说，Fairchild的FDP047N10和FDP100N10，FDP047N10的R_DSON为4.7mohm，C_oss为1500pF；FDP100N10的RDSON为10mohm但C_oss为710pF。换句话说，在切换频率较高的情况下，尽管FDP047N10的R_DSON较低，但较大的C_oss带来的切换损失也会提高，其他诸如Qg等参数以及MOSFET本身寄生二极体的参数也会影响整体功率消耗的表现，使得效率未必会因为Rds的降低显着提升。所以在选用MOSFET上，除了R_DSON为考量依据外，寄生元件特性也是一个很重要的因素呢！

不知道这样解释您是否满意？

唉啊～我的咖啡瘾又犯了，一起喝一杯吧？