如何降低MOSFET损耗并提升EMI性能

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一味的减少MOSFET的损耗及其他方面的损耗，会引起EMI问题吗？

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　MOSFET的损耗主要有以下部分组成：1.通态损耗；2.导通损耗；3.关断损耗；4.驱动损耗；5.吸收损耗；随着模块电源的体积减小，需要将开关频率进一步提高，进而导致开通损耗和关断损耗的增加，例如300kHz的驱动频率下，开通损耗和关断损耗的比例已经是总损耗主要部分了。

　　 MOSFET导通与关断过程中都会产生损耗，在这两个转换过程中，漏极电压与漏极电流、栅源电压与电荷之间的关系如图1和图2所示，现以导通转换过程为例进行分析：

　　t0-t1区间：栅极电压从0上升到门限电压Uth，开关管为导通，无漏极电流通过这一区间不产生损耗；

　　t1-t2区间：栅极电压达到Vth，漏极电流ID开始增加，到t2时刻达到最大值，但是漏源电压保持截止时高电平不变，从图1可以看出，此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大；

　　t2-t3区间：从t2时刻开始，漏源电压VDS开始下降，引起密勒电容效应，使得栅极电压不能上升而出现平台，t2-t3时刻电荷量等于Qgd，t3时刻开始漏极电压下降到最小值；此部分有VDS与ID有重叠，MOSFET功耗增大

　　t3-t4区间：栅极电压从平台上升至最后的驱动电压（模块电源一般设定为12V），上升的栅压使导通电阻进一步减少，MOSFET进入完全导通状态；此时损耗转化为导通损耗。

   关断过程与导通过程相似，只不过是波形相反而已；关于MOSFET的导通损耗与关断损耗的分析过程，有很多文献可以参考，这里直接引用《张兴柱之MOSFET分析》的总结公式如下：



  备注： 为上升时间，为开关频率，为下降时间，为栅极电荷，为栅极驱动电压 为MOSFET体二极管损耗。


三、MOSFET的损耗优化方法及其利弊关系

　　3-1. 通过降低模块电源的驱动频率减少MOSFET的损耗[稍微提一下EMI问题及其解决方案]

　　从MOSFET的损耗分析可以看出，开关电源的驱动频率越高，导通损耗、关断损耗和驱动损耗会相应增大，但是高频化可以使得模块电源的变压器磁芯更小，模块的体积变得更小，所以可以通过开关频率去优化开通损耗、关断损耗和驱动损耗，但是高频化却会引起严重的EMI问题。金升阳DC/DC R3产品，采用跳频控制方法，在轻负载情况下，通过降低模块电源的开关频率来降低驱动损耗，从而进一步提高轻负载条件下的效率，使得系统在待机工作下，更节能，进一步提高蓄电池供电系统的工作时间，并且还能够降低EMI的辐射问题；


　　
     3-2.通过降低、来减少MOSFET的损耗

　    典型的小功率模块电源（小于50Ｗ）大多采用的电路拓扑结构为反激形式，典型的控制电路如图３所示；从MOSFET的损耗分析还可以知道：与开通损耗成正比、与关断损耗成正比；所以可以通过减少 、来减少MOSFET的损耗，通常情况下，可以减小MOSFET的驱动电阻Rg来减少、时间，但是此优化方法却带来严重的EMI问题；以金升阳URB2405YMD-6WR3产品为例来说明此项问题：

1）URB2405YMD-6WR3采用10Ω的MOSFET驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：


2）URB2405YMD-6WR3采用0Ω的驱动电阻，裸机辐射测试结果如下：


　　从两种不同的驱动电阻测试结果来看，虽然都能够通过EN55022的辐射骚扰度的CLASS A等级，但是采用0欧姆的驱动电阻，在水平极化方向测试结果的余量是不足3dB的，该方案设计不能被通过。

　　3-3.通过降低吸收电路损耗来减少损耗

　　在模块电源的设计过程中，变压器的漏感总是存在的，采用反激拓扑式结构，往往在MOSFET截止过程中，MOSFET的漏极往往存在着很大的电压尖峰，一般情况下，MOSFET的电压设计余量是足够承受的，为了提高整体的电源效率，一些电源厂家是没有增加吸收电路（吸收电路如图3标注①RCD吸收电路和②RC吸收电路）来吸收尖峰电压的。但是，不注意这些吸收电路的设计往往也是导致EMI设计不合格的主要原因。以金升阳URF2405P-6WR3的吸收电路（采用如图3中的②RC吸收电路）为例：
1）驱动电阻Rg为27Ω，无RC吸收电路，辐射骚扰度测试结果如下：