损耗分析是为计算应用中的功率因数校正电路选择MOSFET的最佳品质(4)

这是为了匹配观察到的高压MOSFET（特别是超结类型）的开关时间而导出的经验关系式，非常适用于E系列器件。应当指出的是，有若干作者在常规FOM定义中使用QGD而非QG来使之更有意义。在此可见，这两个参数均与TSW无直接关系，而TSW是与开关损耗有关的真实参数：

在得到开关电荷的估计值后，总开关损耗可表示为：

在硬开关电路（如CCM PFC）中，MOSFET输出电容在每个周期的充电和放电伴随着损耗。因此，所储存的能量Eoss在每个开关周期内损失两次。损耗由下式给出：

同样，由于高度的非线性特征，在高压时储存在Coss中的能量需要不同的计算方法。常规的储能电容能量计算公式½ CV2在这里并不适用。为了计算所储存的能量，MOSFET制造商提供了一个附加参数：COER。该参数通常在400V或480V条件下规定，并且是在这些电压下与MOSFET Coss具有相同储存能量的等效恒定电容。最近，制造商开始在产品数据表中包括完整的Eoss曲线。

在PFC电路中，体二极管是不相干的，所以VFWD和QRR及其关联损耗可以忽略不计。另外，CCM模式PFC电路的典型开关频率相对较低，为65kHz - 70kHz。

低频率和低QG意味着栅极驱动损耗在总损耗中所占比例较小，也可忽略不计。现在，通过加总可以获得总损耗：

该表示式看似十分复杂和难以使用，但仔细观察可发现，大多数与应用相关的值是设计时已知的。我们代入常用于PFC 的下列值：
•VIN = 100V 交流（最小值） 
•VDC = 400V 直流 
•FSW = 70kHz  
•TCR = 2 （600V MOSFET）。
这样，损耗计算公式现在可简化为：

其中PIN的单位是千瓦（kW），RDSON的单位是毫欧（mΩ），QSW的单位是纳库仑（nC）。

值得重申的是，该式不是为了进行高精度的损耗计算，而是用作比较不同器件的工具。对于任何给定值，PIN和等值栅极电流IGEQ，我们可以从MOSFET数据表中查到RDSON、QSW和COER的值，然后进行损耗比较。通过将PTOTAL用作基于损耗的FOM，我们现在可根据针对实际工作条件导出的预期损耗而非RDSON x QG进行器件选择，后者至多是一个间接指标。

为进一步阐明这一点，不妨考虑一个额定电压为600V的参考器件，其具有下列参数值：
•RDSON= 100mΩ
•Qsw = 16nC   
•COER = 120pF（400V）

假设RDSON x QG之积相同并按照与RDSON的反比关系确定所有容值，我们可得到RDSON在50m-500m范围内的大量假设器件。对不同的PIN值使用损耗计算公式可得到图5所示的性能曲线。从这些曲线可立即得出两个结论。 图5. 作为RDSON的函数的功率损耗

首先，“最低RDSON”并不提供任何工作条件下的最低损耗解。在任意给定功率下，存在一个使系统效率最大化的RDSON最优值。从该最优值变动到较低的RDSON不仅会增加成本，还会增加总耗损。

例如， 400m MOSFET可能与70m MOSFET在输出功率为250W时具有相同的性能，但它们都不是这一功率下的合适选择。这时的最优值的范围是160m-170m。

其次，RDSON x QG本身并非性能的良好指标。图中比较的所有器件都具有相同的RDSON x QG积，但其提供的性能会因工作条件而异。

结论
证明了常规RDSON x QG积作为MOSFET选择指标具有缺陷。建议将使用系统损耗分析的更好方法用作针对特定应用的FOM。这涉及根据多个器件参数的加权和来估计应用损耗。给每个参数指定的权重是基于工作条件，如开关频率、栅极驱动和输出功率。

所建议的FOM的适用性在100W-500W计算电源的PFC电路实例中得到了证明。尽管具有大量简化假设，但一阶形式和基于损耗的FOM仍然称得上是为最低损耗设计选择最佳器件的良好工具。

参考资料
Jess Brown，“Power MOSFET basics: Understanding MOSFET characteristics associated with the Figure of Merit.” Vishay Siliconix应用说明书 AN-605，2003年。