前言：為了方便理解MOSFET的開關過程及其損耗，以Buck變換器為研究對象進行說明（注：僅限于對MOSFET及其驅動進行分析，不涉及二極管反向恢復等損耗。）

1Buck Converter

圖1所示為Buck變換器拓撲，其中Cin用于減小主功率電路的AC Loop，實際使用視Layout情況決定是否需要添加。

圖1 Buck變換器拓撲

2MOSFET開關時序

圖2所示為MOSFET的開關時序及相應VGS，IGS，VDS和IDS波形，其中：

QGS1：VDS下降之前MOSFET開始導通所需的電荷量。

QGS2：VDS下降之前MOSFET的柵極電壓從閾值電壓VGS(th)升到Miller平臺電壓VGS(miller)所需的電荷量。

QGD：VDS開始下降階段為MOSFET反饋電容CGD充電所需電荷量。
QSW：VGS從到達閾值電壓VGS(th)開始直到Miller平臺結束時柵極電容中的電荷量。

輸入電容：Ciss=CGS+CGD（CDS=0）；

輸出電容：Coss=CGD+CDS（CGS=0）；

反饋電容（反向傳輸電容）：Crss=CGD。

CGS和CGD主要由柵極結構決定，CDS由垂直PN結的電容決定。

圖2 MOSFET開關時序

3驅動電路等效框圖

圖3所示為MOSFET驅動電路的等效框圖，在每個開關周期中，所需的柵極電荷均會通過驅動器輸出阻抗（RGHO和RGLO）、外部柵極電阻RG以及MOSFET內部柵極網狀電阻RGHI。柵極電阻功率損耗與通過電阻傳輸電荷速度的快慢無關。

主要結合圖2和圖3將MOSFET開通和關斷過程各分為4個階段進行分析并計算相關損耗。

圖3 驅動電路等效框圖

1．開通過程。

第①階段：0~t0。此階段VGS電平從0開始上升至閾值電壓VGS(th)，柵極電流IG主要給MOSFET的QGS1充電，極少部分流經QGD。此過程中VDS和IDS維持上個狀態（VDS==Vin，IDS=0）不變，故可稱為為開通延時。

第②階段：t0~t1。當t=t0時，MOSFET開始通流。IG持續流入QGS2和QGD中，VGS電壓逐漸升高直至t1時刻達到Miller平臺電壓VGS(miller)。與之伴隨的是IDS也逐漸增大至最高，但VDS依舊為高電平。因為IDS與VGS成正相關，所以此階段為MOSFET的線性區。

將第②階段中IG、VDS和IDS波形進行線性近似，則柵極驅動電流IG_②和所需時間T②=t1-t0分別為：

與此對應的開通所耗能量E②為：

第③階段：t1~t2。此階段為Miller平臺的維持時間段，柵極電荷持續被充電使得VGS電壓穩定保持在VGS(miller)，因此其具有足夠的能量使MOSFET承載完整的通態電流。在此階段大量的IG被轉移給QGD充電，使VDS快速下降。柵極驅動電流IG_③和所需時間T③=t2-t1分別為：

與此對應的開通所耗能量E③為：

以上可得整個開關周期的開關損耗PSW約為：

注：MOSFET的開通或關斷需要對Ciss進行充電或放電，當電容上的電壓發生變化時，與之反映的是電荷數量的轉移，柵極電壓和所需電荷數量的關系一般可由datasheet中的柵極電荷與柵源電壓曲線獲得。柵極電荷是柵極驅動電壓的函數，VDS最高電壓會影響Miller平臺電荷，從而影響整個開關周期內所需的總柵極電荷。

第④階段：t2~t4。此階段中柵極電流IG通過對CGS和CGD充電（兩者分流），使得VGS從Miller平臺電壓逐漸上升至最終驅動電壓VGS(actual)，其最終電平決定了開通期間的最終導通電阻RDS(on)。此階段ID依然保持恒定，但是由于RDS(on)的下降，VDS略有降低（VDS=IDS*RDS(on)）。RDS(on)與驅動電壓和溫度關系如圖4所示。

可得開通階段的驅動器損耗PDRV_ON為：

Buck變換器的MOSFET IDS(RMS)為：

則通態PCON損耗為：

圖4RDS(on)曲線圖

2．關斷過程。

第①階段：t5~t7。Ciss電容放電，使得VGS電平從驅動電壓VGS(actual)降至Miller平臺電壓VGS(miller)。此階段柵極電流IG由Ciss自身提供，而非驅動器提供。IG流經CGS和CGD回到驅動器。隨著驅動電壓降低，RDS(on)增大，VDS略有上升，IDS保持不變。

第②階段：t7~t8。此階段與Miller平臺階段所對應，柵極電流IG為CGD的充電電流，因此VGS是保持恒定的。柵極電流由功率級旁路電容提供，并從IDS中減去，總IDS仍然等于負載電流。VDS從IDS*RDS(on)上升到最大電壓Vin。

第③階段：t8~t9。柵極電壓繼續從Miller平臺電壓VGS(miller)下降到閾值電壓VGS(th)，絕大部分柵極電流IG來自于CGS，因為CGD在前一個階段就被反向充滿電了。此階段結束時，MOSFET又處在線性區，VGS下降導致IDS減小接近于0。

第④階段：t9~t10。此階段對Ciss完全放電，VGS進一步下降直至為0。與前一階段類似，柵極電流的大部分電流由CGS提供。MOSFET的VDS和IDS保持不變。

可得關斷階段的驅動器損耗為：

以上可得整個開關周期的驅動器損耗PDRV約為：

需要強調的是，柵極驅動器的最重要特性在于處在Miller平臺區時的拉電流及灌電流能力。

此外，MOSFET的輸出電容損耗PCoss為：

至此，MOSFET在整個開關周期內相關損耗Ploss為：