MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的工作可以歸結(jié)為兩種基本模式：線性模式和開關(guān)模式。線性模式：在這種模式下，MOSFET的柵極至源極電壓達(dá)到了一定的水平，使得電流能夠順利地流過溝道。但此時(shí)，溝道電阻相對(duì)較高，意味著溝道兩端的電壓和流過溝道的電流都會(huì)比較大。因此，這種模式下晶體管中的功率耗散會(huì)相對(duì)較高，不利于高效能應(yīng)用。開關(guān)模式：開關(guān)模式是MOSFET更為常用的工作模式。在這種模式下，柵極至源極電壓要么被控制得極低，幾乎阻止電流流動(dòng)；要么被提升至足夠高的水平，使FET處于“完全增強(qiáng)”狀態(tài)。此時(shí)，溝道電阻會(huì)大大降低，電流可以順暢地流過，而功率耗散則變得極低或適中。在這種狀態(tài)下，MOSFET就像是一個(gè)高效的開關(guān)：當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，電流幾乎為零，因此幾乎沒有功率損耗；而當(dāng)開關(guān)完全處于閉合狀態(tài)時(shí)，由于溝道電阻極小，即使大電流流過，功率損耗也非常小。由于開關(guān)模式的高效率特性，它被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景中，如數(shù)字CMOS電路、電源供應(yīng)和D類放大器等。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET的開關(guān)操作并非完全理想，會(huì)涉及到一些非預(yù)期的功率耗散。接下來，我們將討論三種主要的非預(yù)期功率耗散類型，這些類型在選擇元件和布局電路板時(shí)需要特別考慮。

1. 傳導(dǎo)損耗。

2. 開關(guān)損耗。

3. 柵極電荷損耗。

   
   

   傳導(dǎo)損耗

傳導(dǎo)損耗是電流流過MOSFET溝道中的非零電阻時(shí)耗散的功率。一個(gè)完全增強(qiáng)的MOSFET的漏極至源極電阻用RDS(on)表示。

圖1來自O(shè)nsemi公司NDS351AN MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)，展示了隨著柵極至源極電壓的增加，溝道電阻如何降低。完全增強(qiáng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于曲線中斜率較低的部分。

圖1

瞬時(shí)傳導(dǎo)損耗（PC）可以使用電功率的標(biāo)準(zhǔn)公式之一來計(jì)算，具體公式為：

其中ID是FET的漏極至源極電流。

我們還可以使用RMS（均方根）電流而不是瞬時(shí)電流來計(jì)算時(shí)間平均傳導(dǎo)損耗：

由于我們考慮到實(shí)際應(yīng)用中MOSFET的電流流動(dòng)大小是由需求來決定的，所以減少傳導(dǎo)損耗的關(guān)鍵在于降低RDS(on)。首先，這需要我們精心挑選合適的元件——現(xiàn)在市面上有些FET，像碳化硅和氮化鎵這種，它們的RDS(on)值非常低，能很好地滿足這一要求。除了元件的選擇，我們還需要確保工作條件以及周圍的電路配置都有助于FET實(shí)現(xiàn)最低的溝道電阻。在需要大電流的情況下，哪怕只是歐姆值的微小變化都可能產(chǎn)生顯著影響，就像在圖2中的降壓轉(zhuǎn)換器中展示的那樣。

圖2開關(guān)損耗

在開關(guān)模式工作的描述中，MOSFET要么是完全導(dǎo)通狀態(tài)，要么是完全截止?fàn)顟B(tài)。但更貼近實(shí)際的情況是，這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換并不是一蹴而就的。相反，F(xiàn)ET在每次切換時(shí)都會(huì)短暫地進(jìn)入高功率耗散的線性工作區(qū)。這就會(huì)引發(fā)第二種損耗，我們稱之為開關(guān)損耗。

由于開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，期間溝道電阻會(huì)不斷發(fā)生變化，因此計(jì)算開關(guān)損耗并不簡(jiǎn)單。ROHM Semiconductor一份應(yīng)用指南中提供了一個(gè)建議的公式（3），用于計(jì)算開關(guān)損耗。

這個(gè)公式表明，開關(guān)損耗（PSW）取決于以下幾個(gè)因素：

驅(qū)動(dòng)FET開關(guān)電流所需的電壓（VIN）。FET的漏極電流（ID）。開關(guān)波形的上升和下降時(shí)間（tR和tF）。開關(guān)頻率（fSW）。

柵極電荷損耗

所有MOSFET都有一個(gè)絕緣層，它阻止電流通過柵極端子——這也是它們與其他類型場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間的區(qū)別之一。然而，嚴(yán)格來說，這種絕緣層僅阻擋穩(wěn)態(tài)電流。如圖3所示，MOSFET的絕緣柵是一個(gè)電容結(jié)構(gòu)；因此，在柵極電容完全充電或放電之前，瞬態(tài)電流會(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)電路中流動(dòng)。

圖3

這實(shí)際上是開關(guān)模式MOSFET的又一能量損耗來源。當(dāng)我們要開啟或關(guān)閉FET時(shí)，需要改變柵極電壓，而在這個(gè)過程中，由于瞬態(tài)電流流過寄生電阻，就會(huì)產(chǎn)生能量損耗。

柵極充電損耗（PGC）的計(jì)算公式見公式（4）。

其中：QG 表示FET所需的總柵極電荷VGS 是柵極與源極之間的電壓fSW 是開關(guān)頻率。公式（4）讓我們得出一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。如果一個(gè)MOSFET需要更高的柵極電荷，那么它的效率就會(huì)降低。因此，設(shè)計(jì)師們需要權(quán)衡利弊：增大柵極面積有助于降低RDS(on)，從而減少傳導(dǎo)損耗，但柵極面積的增大也會(huì)使QG增加，進(jìn)而增加?xùn)艠O充電損耗。