摘要：为了有用处理金属一氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在通讯设备直流-48 V缓发动使用电路中呈现的开关损耗失效问题，经过对MOSFET栅极电荷、极间电容的论述和导经进程的解剖，定位了MOSFET开关损耗的来历，然后为缓发动电路规划优化，削减MOSFET的开关损耗供给了技能根据。
要害词：MOSFET;带电插拔;缓发动;开关损耗
在选用会集供电的二次电源体系中，板卡刺进主机时，主机现已处于安稳的作业状况，一切容性负载均已充电。待插的板卡是不带电的，板卡上的容性负载没有充电，在热刺进进程中，待插板卡上的电容瞬间充电。充电进程将在刺进的瞬间从体系电源吸纳很多的电流，导致体系电压瞬间下跌，影响其他板卡的正常运转。别的，在电源线触摸的瞬间，体系电源的输出电阻和待插板卡的电容组成RC充电通道，因为电源的输出电阻很小，浪涌电流十分大。在拔出板卡的进程中，板卡上的旁路电容放电，和背板之间构成一个低阻通道，也会发生瞬间大电流。浪涌电流带着很多的能量，会破坏接口器材、连接器和金属连线。为了防止上述状况发生，需求对电源体系进行必要的保护性规划。
处理带电插拔晦气影响的根本措施是削减浪涌电流，浪涌电流是因为待插板卡的容性负载在上电瞬间充电引起的。由公式I=Cdv/dt可知，上电时刻直接决议了浪涌电流的巨细。在一般的带电插拔进程中，充电电压相当于一个阶跃鼓励，dv/dt极大。咱们知道在选用RC充电回路中，电容的充电时刻可以简略地经过改动R和C值来设定，假如使用这个突变的电压操控一个在必定电压下导通的开关MOSFET，就可以缓慢导通二次电源，十分有用地削减浪涌电流的值，然后最大程度地削减带电插拔带来的负面影响。
公司网络、数据及无线基站产品各单板根本都使用了由N沟道MOSFET加分立元件组成的缓发动电路来削减直流-48 V上电的浪涌电流。因为该MOSFET在单板上不只用来完成-48 V缓发动功用，在某些单板也是长途操控上下电的要害器材。一旦MOSFET失效，单板-48 V电源输出就呈现毛病，更无法完成缓发动功用和长途操控功用，将严重影响产品单板的正常运转。可见，MOSFET在单板缓发动电路中起到了无足轻重的效果，科学剖析MOSFET特性，深化了解其导通特性，削减MOSFET的损坏便是整个热插拔缓发动电路的要害。
1 MOSFET在开关使用进程中的问题
公司网络、数据及无线基站产品各单板都选用经过简略的改动RC充电回路中R和C值，发生一个突变的电压操控一个在必定电压下导通的开关MOSFET，来导通输入直流-48V电压然后削减热插拔进程的浪涌电流。可是因为关于MOSFET自身内部结构、开关进程和损耗了解不全面，构成了大批MOSFET失效的事例。笔者经过对公司各产品直流-48V缓发动电路MOSFET失效状况剖析和计算发现，MOSFET的失效在公司各产品事业部都有发生，失效问题数量比较多，但失效原因却比较单一，都是因为短时过功率焚毁。失效事例中一起也提出了改善对策，需求咱们改善现在-48 V DC缓发动电路的驱动规划削减MOSFET开关进程的损耗，防止MOSFET失效问题的再次发生。
2 MOSFET的开关损耗
因为构成MOSFET失效的原因大多都是因为开关进程损耗过大导致的过功率焚毁。终究MOSFET的开关损耗是怎么发生的，在 MOSFET导通的哪一阶段发生，跟什么要素有关?这个有必要从MOSFET自身的寄生栅极电荷、极间电容下手，经过对MOSFET寄生电荷和MOSFET 的开关进程来剖析开关损耗发生的要素及其原因。
2.1 栅极电荷QG
在MOSFET中，栅极电荷决议于栅极氧化层的厚度及其它与裸片布线有关的物理参数，它可以表明为驱动电流值与注册时刻之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分MOS管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。
如图1是栅极电压和栅极电荷之间的联系，从中可以看到栅极电荷的非线性特性。这条曲线的斜率可用来估量栅极电容Cgs的数值。曲线的榜首段是线性的，QGS是使栅极电压从0升到门限值所需电荷，此刻漏极电流呈现，漏极电压开端下降;此段栅极电容Cgs便是Cgs。曲线的第二段是水平的，栅极到漏极电荷QGD是漏极电压下降时战胜“Miller”效应所需电荷，所以栅极到漏极电荷QGD也称为“Miller”电荷。此刻栅极电压不变、栅极电荷积累而漏极电压急聚下降。这一段的栅极电容是Cgs加上Cgd的影响(一般称为Miller效应)。
经过调查栅极电压UGS和栅极电荷QG之间的联系可以看出，寄生的栅极电荷QG值尽管很小，可是在MOSFET管导经进程中可分为显着的3个阶段;一起，因为受栅极到漏极电荷QGD即“Miller”电荷的影响使栅极电荷发生了非线性特性，也影响了栅极电压UGS的线性升高。
2.2 MOSFET的极间电容
MOSFET其内部极间电容主要有Cgs、Cgd和Cds。而且Cgs>>Cds>>Cgd。其间Cgs为栅源电容、Cgd为栅漏电容，它们是由Mos结构的绝缘层构成的;Cds为漏源电容，由PN结构成。MOSFET极间电容等效电路如图2所示。
MOSFET管的极间电容栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds可以由以下公式确认：
Cgd=Crss
Cgs=Ciss-Crss
Cds=Coss-Crss
公式中Ciss、Coss、和Crss分别是MOSFET管的输入电容、输出电容和反应电容。它们的数值可以在MOS管的手册上查到。
经过调查MOSFET极间电容和寄生栅极电荷QG，可以看到，MOSFET极间电容是由其导电沟道结构及工艺决议，固有的。因为存在反应电容及栅极到漏极电荷QGD，QGD的大部分用来减小UDS从关断电压到UGS(th)发生的“Miller”效应，此刻Vds没有到达Vsat。对曲线水平段所对应的电容Cgs充电所花费的时刻越长，Vgs坚持在一个稳定电压上的时刻也就越长，MOSFET到达饱和状况所需的时刻也就越长。这种状况相应的MOSFET的能量损耗也越大，发生的热量越多、功率越低。
2.3 MOSFET的导经进程
MOSFET极间电容是影响开关时刻的主要要素。因为受极问电容的影响，MOSFET的导经进程可分为如下几个阶段(如图4所示)。
1)t0～t1期间：驱动电压从零上升，经rG对图3 MOSFET等效结构中G端输入电容Ciss充电，电压按虚线上升(开路脉冲)，Ciss越小，则电压上升的越快;
2)t1～t2期间：t1瞬时，MOS管的栅源电压到达敞开电压UGS(th)，漏极电流开端上升;因为漏源等效的输出电容Coss会对MOSFET容性放电，漏极电流ID上升，漏源电压下降;一起受反应电容Crss的影响G驱动电压Vgs的上升速率特别陡峭，(低于开路脉冲);
3)t2～t3期间：t2瞬间，漏极电流ID现已到达稳态幅值，但Coss的电压尚大，电流还会上冲;
4)t3～t4期间：t3瞬时，Coss在漏极峰值电流放电下，漏极电压敏捷下降，受反应电容Crss的影响G驱动电压略有回落，坚持漏极电流所需的驱动电压值，坚持平衡;
5)t4之后：t4瞬时，Coss的电荷放完，漏源电压近似为零，并坚持不变;反应消失。Vgs升高到开路脉冲，进入稳态导通期。
由此MOSFET开经进程可看，漏极电流在QG波形的QGD阶段呈现，因为受极间电容的影响，VDS电压失去了线性的进程，所以一方面在漏极电流呈现的进程，该段漏极电压仍然很高，漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍，这就构成了MOSFET管功率损耗的添加。另一方面开关导通时，因为受受 “Miller”电荷的影响，电容Cgs充电需花费较长时刻，Vgs长时刻上升速率特别陡峭，(低于开路脉冲)，这种状况构成MOSFET的损耗很大并发生很多热量、降低了开关功率;
3 损耗来历
经过对MOSFET特性的剖析可以看出，MOSFET并不是单纯的电压操控器材。它的敞开和开关速度与电流有关，它取决于驱动电路是否可以在它需求时供给满足的电流，使电容Cgs快速充电。因为在第二段时，受“Miller”电荷及极间电容的影响，电容充电需求较长时刻，构成MOSFET 管开关损耗添加，发生很多的热量。一起因为VDS电压失去了线性的进程，开关导通时漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍，这将构成功率损耗添加。在这整个进程中，MOSFET的开关损耗和功率损耗都添加，这就很简单构成MOSFET的焚毁。
所以在第二段迫切要求栅极驱动可以供给满足的电流，在短时刻内为第二段曲线对应的栅极电容Cgs充电，使MOSFET敏捷地敞开。一起，要供给一个合理的 Vgs最佳渠道电压(也便是总的QG)，在此进程操控VDS电压的线性度，使电流的改变和漏极电压改变率持平，削减功率损耗。
使用MOSFET管及分立器材完成-48 V电源缓发动需求优化电路规划，既要供给栅极电流，又要操控好漏源电压的线性度，然后操控漏极冲击电流，以削减MOSFET的损耗。
4 定论
文章论述了MOSFET自身的寄生栅极电荷和极间电容，深化分解了MOSFET导通的5个阶段，经过对MOSFET开关特性的剖析指出了MOSFET导经进程开关损耗的来历，为直流-48 V电源缓发动电路规划的优化供给了技能根据。
