应用笔记：MOSFET 功率损耗计算指南 —— 第 2 部分
副标题：基于数据手册参数估算开关时间间隔的方法
1. 引言
在本系列第一部分中，我们推导了计算 MOSFET 开通和关断时间间隔的公式。这些时间间隔是硬开关应用中开关功率损耗计算的基础。
在应用这些公式时，显然还需要额外的指导。计算中使用的多个参数（尤其是栅极平台电压和寄生电容）在很大程度上取决于工作电压和电流条件，且并非总能直接适用于目标使用场景。
本应用笔记提供了利用常用数据手册信息估算这些参数的实用方法，包括平台电压近似、反向传输电容提取和输出电容建模。当没有详细的 SPICE 模型时，这些方法可实现不同供应商 MOSFET 开关特性的一致性对比。
本部分第 2 部分所述的技术适用于器件级对比和早期器件选型。若目标是应用级损耗建模或最坏情况分析，使用经过验证的 SPICE 模型进行时域仿真仍是首选方法。
1.1 开通和关断时间间隔
根据本系列第一部分，开通转换的时间间隔如下：
此外，关断转换的时间间隔为：
其中 τ=RG(CGS+CGD)，时间间隔定义如图 1 所示，参数定义如下：
- RG：栅极电阻（内部 + 外部）
- CGS：栅源寄生电容
- CGD：栅漏寄生电容
- rDS(on)：MOSFET 完全导通时的漏源电阻
- Vth：阈值电压
- Vgp−ON：开通转换期间的平台电压
- Vgp−OFF：关断转换期间的平台电压
- VGG：栅极外部电源直流电压
- VDD：漏极外部电源直流电压
- I0：漏极负载直流电流
公式（1）-（6）源自图 2 所示的感性负载和理想续流二极管的低侧驱动示例电路。
图 1：MOSFET 开通波形（上）和关断波形（下）
图 2：低侧驱动示例电路
- 参数近似
2.1 开通和关断阶段的平台电压
从公式（2）-（4）和（6）可以看出，栅极平台电压是一个至关重要的参数，但确定具体使用的电压值通常较为困难。
数据手册会给出在特定漏极电压和电流条件下的平台电压，该值可从数据手册的栅极电荷曲线中提取用于计算（图 3）。
图 3：功率 MOSFET 数据手册中的典型栅极电荷曲线
然而，平台电压的测量条件并非标准化，因此考虑周边条件进行近似是合理的。
平台电压可能因器件处于开通或关断状态而不同，其定义如下：
其中 gm 是从转移特性曲线线性部分斜率获得的跨导（图 4）。
公式（7）和（8）可用于推导开通和关断阶段的平台电压，使数据手册中的平台电压更接近参数对比的参考条件，适用于两款或多款功率 MOSFET 的型号对比。
图 4：功率 MOSFET 数据手册中的典型转移特性曲线
2.2 反向传输电容（Crss ）
根据本系列第 1 部分，我们已知反向传输电容 Crss 等于 CGD，这是公式（3）和（5）中的关键参数。CGD 可通过数据手册动态特性表中的栅漏电荷 QGD 获得，计算公式如下：
使使用该方法时，需注意 QGD 是在非零 VGS 条件下测得的，且 CGD 作为非线性电容，同时依赖于 VGS 和 VDS 偏置条件（图 5）。
图 5：功率 MOSFET 数据手册中的栅漏电荷示例
另一种方法是采用标准方法 [3] 获取电容值，该方法使用相同的测量条件，使器件对比更可靠。反向传输电容特性曲线（图 6）通过扫描 VDS 偏置电压并叠加小信号 vds 高频干扰获得（图 6 中的电容为小信号电容）。值得注意的是，在该特性表征中 VGS=0V 是行业标准。
图 6：数据手册中的 MOSFET 小信号电容曲线示例
从该曲线中，可读取目标 VDS 电压下的 Crss=CGD 值并用于时间间隔计算，这是一种有效的方法，足以满足对比需求。
另一种方式是找到与目标 VDS 下非线性电容电荷相关的等效线性电容值。为此，需提取 Crss 电容特性曲线上的所有点，并采用文献 [2] 中的方法模拟其端电压对应的非线性电荷曲线，再应用公式（9）计算 CGD。后两种方法可确保所有对比的 MOSFET 在相同的 VDS 和 VGS 偏置条件下获得 CGD 值。
若分析目标仅为对比器件性能，最后一步仿真可视为不必要的额外步骤；但该仿真能更完整地描述非线性电容特性，如图 7 所示。
图 7 ：非线性电容电荷曲线（Cd = Vx 处的小信号电容，Ct = Vx 处的等效线性电容）
2.3 输出电容（Coss）
定义 CGD 后，可对 CDS 采用相同方法。与 Crss 类似，输出电容 Coss 定义于图 6 的曲线中，其优势同样在于采用标准化方法测量，使不同供应商的测试条件一致且可对比。
CDS 的值通过以下减法获得：
其中，如上所述，Coss 可直接从小信号非线性电容曲线（图 5）中读取，或提取该特性曲线的所有点，模拟漏源电压对应的非线性电荷曲线 [2]，再应用公式：
2.4 栅阈值电压（Vth ）
在本应用笔记中，使用数据手册中定义的典型阈值电压，未找到文献中的详细计算方法。
此外，供应商通常采用相同条件（如 VDS=VGS、ID=250μA）测量该参数，使对比更简便（图 8）。
图 8：数据手册中的典型栅阈值电压表格
3. 计算示例
3.1 示例电路
以图 1 低侧驱动电路的周边条件为例：VGG=10V、VDD=75V、I0=15A、Rg(ext)=10Ω，本部分将进行示例计算。
本示例将使用 MCC 的功率 MOSFET MCAC15N15Y，以及两款电气特性相近的竞品 MOSFET。表 1 和表 2 列出了与本分析相关的器件参数。
表 1：MCAC15N15Y 计算相关电气参数
| 参数 | 符号 | MCAC15N15Y | 测试条件 |
|---|---|---|---|
| 漏源最大电压 | VDS | 150V | VGS=0V，ID=250μA |
| 栅阈值电压 | VGS(th) | 2V~4V | VDS=VGS，ID=250μA |
| 漏源导通电阻 | rDS(on) | 52mΩ（典型）、70mΩ（最大） | VGS=10V，ID=15A |
| 内部栅极电阻 | Rg(int) | 1Ω | f=1MHz，漏极开路 |
| 栅漏电荷 | QGD | 4nC | VDS=75V，VGS=10V，ID=15A |
| 平台电压 | Vp | 4.9V | VDS=75V，ID=15A |
| 输入电容 | Ciss=CGS+CGD | 749.9pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz |
| 输出电容 | Coss=CDS+CGD | 301.1pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz |
| 反向传输电容 | Crss=CGD | 27.3pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz |
表 2：竞品器件计算相关电气参数
| 符号 | 竞品 A | 测试条件 | 竞品 B | 测试条件 |
|---|---|---|---|---|
| VDS | 200V | VGS=0V，ID=250μA | 150V | VGS=0V，ID=250μA |
| VGS(th) | 2V~4V | VDS=VGS，ID=1mA | 2V~4V | VDS=VGS，ID=35μA |
| rDS(on) | 86mΩ（典型）、102mΩ（最大） | VGS=10V，ID=12A | 42mΩ（典型）、52mΩ（最大） | VGS=10V，ID=18A |
| Rg(int) | 1.1Ω | f=1MHz | 2.1Ω | f=1MHz |
| QGD | 10.1nC | VDS=100V，VGS=10V，ID=12A | 1.5nC | VDS=75V，VGS=10V，ID=9A |
| Vp | 4.5V | VDS=100V，ID=12A | 5.2V | VDS=75V，ID=9A |
| Ciss=CGS+CGD | 1568pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz | 670pF | VDS=75V，VGS=0V，f=1MHz |
| Coss=CDS+CGD | 170pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz | 80pF | VDS=75V，VGS=0V，f=1MHz |
| Crss=CGD | 55pF | VDS=30V，VGS=0V，f=1MHz | 3.4pF | VDS=75V，VGS=0V，f=1MHz |
3.2. LTspice采样电路仿真
采用 MCAC15N15Y 和竞品的 SPICE 模型进行仿真，本分析将以仿真结果中测得的时间间隔 tON=t21(ON)+t32(ON) 和 tOFF=t21(OFF)+t32(OFF) 作为参考，结果如表 3 所示。图 8 为仿真中 MCAC15N15Y 的开通时间测量（从漏极电流达到最大值的 5%（0.05×I0=0.75A）到漏极电压达到最大值的 5%（0.05×VDD=3.75V）的时间）；关断时间测量采用相同的点，但电压先于电流出现（图 9）。
表 3：仿真测量获得的开通和关断时间
| MCAC15N15Y | 竞品 A | 竞品 B | Δ MCC-A | Δ MCC-B | |
|---|---|---|---|---|---|
| tON=t21(ON)+t32(ON) | 8.68ns | 18.40ns | 5.46ns | -9.72ns | 3.22ns |
| tOFF=t21(OFF)+t32(OFF) | 12.43ns | 23.00ns | 5.91ns | -10.57ns | 6.52ns |
图 9 ：MCAC15N15Y 仿真关断时间（I0 绿色，VDS 深蓝色，VGG 浅蓝色）
图 10：MCAC15N15Y 仿真关断时间（I0 绿色，VDS 深蓝色，VGG 浅蓝色）
3.3 基于数据手册值的计算
采用表 1 和表 2 中数据手册的值进行计算，结果如表 4 所示。
表 4：基于数据手册值的计算结果
| MCAC15N15Y | 竞品 A | 竞品 B | Δ MCC-A | Δ MCC-B | |
|---|---|---|---|---|---|
| t10(ON) | 2.94ns | 6.26ns | 2.91ns | - | - |
| t21(ON) | 2.61ns | 4.24ns | 3.08ns | - | - |
| t32(ON) | 4.37ns | 8.26ns | 2.02ns | - | - |
| tON=t21(ON)+t32(ON) | 6.98ns | 12.49ns | 5.1ns | -5.51ns | 1.88ns |
| t10(OFF) | 5.89ns | 14.02ns | 5.33ns | - | - |
| t21(OFF) | 4.55ns | 10.09ns | 1.87ns | - | - |
| t32(OFF) | 4.05ns | 7.12ns | 4.48ns | - | - |
| tOFF=t21(OFF)+t32(OFF) | 8.60ns | 17.21ns | 6.35ns | -8.61ns | 2.25ns |
3.4. 使用平台电压计算
采用第2.1节描述的平台电压建模方法，得到了表5所示的结果。
表 5：基于平台电压模型（2.1 节）的计算结果
| MCAC15N15Y | 竞品 A | 竞品 B | Δ MCC-A | Δ MCC-B | |
|---|---|---|---|---|---|
| t10(ON) | 2.94ns | 6.33ns | 2.91ns | - | - |
| t21(ON) | 1.22ns | 1.35ns | 1.80ns | - | - |
| t32(ON) | 3.69ns | 7.00ns | 1.73ns | - | - |
| tON=t21(ON)+t32(ON) | 4.91ns | 8.35ns | 3.52ns | -3.44ns | 1.39ns |
| t10(OFF) | 8.60ns | 18.78ns | 8.99ns | - | - |
| t21(OFF) | 6.32ns | 13.23ns | 2.92ns | - | - |
| t32(OFF) | 1.33ns | 2.36ns | 0.82ns | - | - |
| tOFF=t21(OFF)+t32(OFF) | 7.65ns | 15.59ns | 3.75ns | -7.94ns | 3.90ns |
4. 结论
对比不同功率 MOSFET 供应商（甚至同一供应商的不同型号）的开关性能始终是一项挑战，测量条件会影响 MOSFET 参数，进而影响所有性能预测。
但在本应用笔记中，我们证明了采用数据手册值或平台电压的额外建模方法进行对比时，可获得良好的结果，两者均能很好地近似器件之间的开关速度快慢。
采用这两种方法进行器件的增量对比，可很好地指示相同条件下器件的开关性能。此外，采用本文提出的平台电压建模方法，可将所有对比统一到相同的参考点，若平台电压的规格参数是在完全不同的条件下测得的，这一优势尤为明显。
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