理解功率MOSFET的开关损耗
中心议题：
- 功率MOSFET的各参数在开关过程中对开关损耗的影响
- 计算出MOSFET在开关过程中不同阶段的开关损耗
- 在实际状态下Coss对开通和关断过程的影响
- 功率MOSFET管自然零电压关断的过程
- 重点检查Qg和Ciss这两个参数
1 MOSFET开关损耗
1.1 开通过程中MOSFET开关损耗
功率MOSFET管的栅极电荷特性如图1所示，此特性图可以在MOSFET数据表中查到，开通的工作过程可以参阅相关的文献。值得注意的是：下面的开通过程对应着BUCK变换器上管的开通状态，对于下管是0电压开通，因此开关损耗很小，可以忽略不计。
开通过程中，从t0 时刻起，栅源极间电容开始充电，栅电压开始上升，栅极电压为：
其中：
为PWM栅极驱动器的输出电压，Ron为PWM栅极驱动器内部串联导通电阻，Ciss为MOSFET输入电容，Rg 为MOSFET的栅极电阻。VGS电压从0增加到开启阈值电压VTH前，漏极没有电流流过，时间t1为：
VGS电压从VTH增加到米勒平台电压VGP的时间t2为：
VGS处于米勒平台的时间t3为：
t3也可以用下面公式计算：
注意到了米勒平台后，漏极电流达到系统最大电流ID，就保持在电路决定的恒定最大值 ID，漏极电压开始下降，MOSFET固有的转移特性，使栅极电压和和漏极电流保持比例的关系，漏极电流恒定，因此栅极电压也保持恒定，这样栅极电压不变，栅源极间的电容不再流过电流，驱动的电流全部流过米勒电容。过了米勒平台后，MOSFET完全导通，栅极电压和漏极电流不再受转移特性的约束，就继续地增大，直到等于驱动电路的电源的电压。
MOSFET开通损耗主要发生t2和t3时间段。下面以一个具体的实例下计算。输入电压12V，输出电压3.3V/6A，开关频率350kHz，PWM栅极驱动器电压为5V，导通电阻1.5Ohm，关断的下拉电阻为0.5Ohm，所用的MOSFET为AO4468，具体参数如下：Ciss= 955pF，Coss= 145pF，Crss= 112pF，Rg= 0.5Ohm；当VGS= 4.5V，Qg= 9nC；当VGS=10V，Qg= 17nC，Qgd= 4.7nC，Qgs= 3.4nC；当VGS=5V且ID=11.6A，跨导gFS= 19S；当VDS=VGS且ID=250uA，，VTH= 2V；当VGS= 4.5V且ID=10A，RDS(ON)=17.4mOhm。
开通时米勒平台电压VGP：
计算可以得到电感L= 4.7uH.，满载时电感的峰峰电流为1.454A，电感的谷点电流为5.273A，峰值电流为6.727A，所以，开通时米勒平台电压VGP= 2+5.273/19= 2.278V，可以计算得到：
开通过程中产生开关损耗为：
开通过程中，Crss和米勒平台时间t3成正比，计算可以得出米勒平台所占开通损耗比例为84%，因此米勒电容Crss 及所对应的Qgd在MOSFET的开关损耗中起主导作用。Ciss =Crss+Cgs，Ciss所对应电荷为Qg。对于两个不同的MOSFET，两个不同的开关管，即使A管的Qg 和Ciss小于B管时，但如果A管的Crss比B管大得多时，A管的开关损耗却有可能大于B管。因此在实际的选取MOSFET管，优先考虑米勒电容Crss的值。
减小驱动电阻可以同时降低t3和t2，从而降低开关损耗，但是过高的开关速度会引起EMI的问题。提高栅驱动电压也可以降低t3时间。降低米勒电压，也就是降低阈值开启电压，提高跨导，也可以降低t3时间从而降低开关损耗。但过低的阈值开启会使MOSFET容易受到干扰误导通，增大跨导将增加工艺复杂程度和成本。
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1.2 关断过程中MOSFET开关损耗
关断的过程如图1所示，分析和上面的过程相同，注意是就是此时要用PWM驱动器内部的下拉电阻0.5Ohm和Rg串联计算，同时电流要用最大电流即峰值电流6.727A来计算关断的米勒平台电压及相关的时间值：VGP= 2+6.727/19= 2.354V。
Crss一定时，Ciss越大，除了对开关损耗有一定的影响，还会影响开通和关断的延时时间，开通延时为图1中的t1和t2，图2中的t8和t9。
2 Coss产生开关损耗与对开关过程的影响
2.1 Coss产生的开关损耗
通常，在MOSFET关断的过程中，Coss充电，能量将储存电容Coss中，Coss同时也影响MOSFET关断过程中的电压的上升率dVDS/dt，Coss越大，dVDS/dt就越小，这样引起的EMI就越小。反之，Coss越小，dVDS/dt就越大，就越容易产生EMI的问题。
但是，在硬开关的过程中，Coss又不会能太大，因为Coss储存的能量将在MOSFET开通的过程中，放电释放能量，将产生更多的功耗降低系统的整体效率，同时在开通过程中，产生大的电流尖峰。
开通过程中大的电流尖峰产生大的电流应力，瞬态过程中有可能损坏MOSFET，同时还会产生电流干扰，带来EMI的问题；另外，大的开通电流尖峰也会给峰值电流模式的PWM控制器带来电流检测的问题，需要更大的前沿消隐时间，防止电流误检测，从而降低了系统能够工作的最小占空比值。
Coss产生的损耗为：
对于BUCK变换器，工作在连续模式时，开通时MOSFET的电压为输入电源电压。当工作在断续模式时，由于输出电感以输出电压为中心振荡，Coss电压值为开通瞬态时MOSFET的两端电压值，如图2所示。
1.2 Coss对开关过程的影响
图1中VDS的电压波形是基于理想状态下，用工程简化方式来分析的。由于Coss存在，实际的开关过程中的电压和电流波形与图1波形会有一些差异，所图3所示。下面以关断过程为例说明。基于理想状态下，以工程简化方式，认为VDS在t7时间段内线性地从最小值上升到输入电压，电流在t8时间段内线性地从最大值下降到0。
实际过程中，由于Coss影响，由于大部门电流从MOSFET中流过，流过Coss非常小，甚至可以忽略不计，因此Coss的充电速度非常慢，电流VDS上升的斜率也非常慢。也可以这样理解：正是因为Coss的存在，在关断的过程中，由于电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较低的电压，可以认为是ZVS，即0电压关断，功率损耗很小。
同样的，在开通的过程中，由于Coss的存在，电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较高的电压，实际的功率损耗很大。
在理想状态的工程简化方式下，开通损耗和关断损耗基本相同，见图1中的阴影所示。而实际的状态下，关断损耗很小而开通损耗很大，见图3中的阴影所示。
从上面的分析可以看出：在实际的状态下，Coss将绝大部分的关断损耗转移到开通损耗中，但是总的开关功率损耗基本相同。图4波形可以看到，关断时，VDS的电压在米勒平台起始时，电压上升速度非常慢，在米勒平台快结束时开始快速上升。
Coss越大或在DS极额外的并联更大的电容，关断时MOSFET越接近理想的ZVS，关断功率损耗越小，那么更多能量通过Coss 转移到开通损耗中。为了使MOSFET整个开关周期都工作于ZVS，必须利用外部的条件和电路特性，实现其在开通过程的ZVS。如同步BUCK电路下侧续流管，由于其寄生的二极管或并联的肖特基二极管先导通，然后续流的同步MOSFET才导通，因此同步MOSFET是0电压导通ZVS，而其关断是自然的0电压关断ZVS，因此同步MOSFET在整个开关周期是0电压的开关ZVS，开关损耗非常小，几乎可以忽略不计，所以同步MOSFET只有RDS(ON)所产生的导通损耗，选取时只需要考虑RDS（ON）而不需要考虑Crss的值。
注意到图1是基于连续电流模式下所得到的波形，对于非连续模式，由于开通前的电流为0，所以，除了Coss放电产生的功耗外，没有开关的损耗，即非连续模式下开通损耗为0。但在实际的检测中，非连续模式下仍然可以看到VGS有米勒平台，这主要是由于Coss的放电电流产生的。Coss放电快，持续的时间短，这样电流迅速降低，由于VGS和ID的受转移特性的约束，所以当电流突然降低时，VGS也会降低，VGS波形前沿的米勒平台处产生一个下降的凹坑，并伴随着振荡。
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