MOSFET的操作可以分為兩種基本模式：線性模式和開關模式。在線性模式下，晶體管的柵源電壓足以使電流通過通道，但通道電阻相對較高。通道上的電壓和通過通道的電流都很大，導致晶體管內的功耗很高。

在開關模式下，柵源電壓要么低到足以阻止電流流動，要么高到足以使FET進入“完全增強”狀態，此時通道電阻大大降低。在這種狀態下，晶體管像一個閉合開關：即使有大電流通過通道，功耗也會低或中等。

隨著開關模式操作接近理想狀態，功耗變得可以忽略不計。開關要么完全不活躍，零電流因此零損耗，要么完全活躍，最小電阻因此最小損耗。由于其高效性，開關模式在許多應用中被使用——數字CMOS電路、電源和D類放大器都是很好的例子。

然而，實際的MOSFET開關涉及設計者在選擇元件和布置電路板時需要考慮的損耗。在本文中，我們將討論三種非預期的功耗：導通損耗、開關損耗、柵極電荷損耗。

導通損耗：

導通損耗是指電流通過MOSFET通道的非零電阻時消耗的功率。完全增強的MOSFET的漏源電阻表示為RDS(on)。

圖1顯示了隨著柵源電壓增加通道電阻如何減小。完全增強狀態對應于曲線的低斜率部分。

瞬時導通損耗(PC)可以使用電功率的標準公式之一計算：

其中ID是FET的漏源電流。

我們還可以使用RMS電流而不是瞬時電流來計算時間平均導通損耗：

由于我們假設通過MOSFET的電流量由應用需求控制，減少導通損耗的方法是降低RDS(on)。這首先通過仔細選擇元件來實現——一些現代FET，包括碳化硅和氮化鎵，提供極低的RDS(on)。

除此之外，還應確保操作條件和周圍電路有助于FET達到盡可能低的通道電阻。當需要大電流時，甚至幾歐姆的小數部分都可能很重要，例如圖2中的降壓轉換器。

開關損耗：

在簡化的開關模式操作模型中，MOSFET要么完全導通，要么完全關斷。然而，更現實的模型必須承認兩種狀態之間的過渡不是瞬時的。相反，每次開關時，FET都會短暫地在高功耗線性模式下工作。這導致了第二種損耗，稱為開關損耗。

計算開關損耗并不簡單，因為導通和關斷狀態之間的過渡是一個高度動態的過程，在此期間通道電阻會連續變化。ROHM Semiconductor在其應用筆記中提出了公式(3)：

該公式表明開關損耗(PSW)取決于以下所有因素：

用于驅動FET的開關電流的電壓(VIN)。

FET的漏電流(ID)。

開關波形的上升和下降時間(tR和tF)。

開關頻率(fSW)。

柵極電荷損耗：

所有MOSFET都有一層絕緣層，可以防止電流通過柵極端口流動——這是它們與其他類型的場效應晶體管的區別之一。然而，嚴格來說，這種絕緣層只阻擋穩態電流。

如圖3所示，MOSFET的絕緣柵極是一個電容結構;因此，直到柵極電容完全充電或放電之前，瞬態電流都會在柵極驅動電路中流動。

這構成了開關模式MOSFET的又一個耗散損耗源。打開和關閉FET需要改變柵極電壓，當瞬態電流流過寄生電阻時，會發生功耗。

柵極電荷損耗(PGC)的公式如下：

其中：

QG是FET所需的總柵極電荷量

VGS是柵源電壓

fSW是開關頻率。

公式(4)引導我們得出一個重要的觀察結果。需要更高柵極電荷的MOSFET會降低效率，因此設計者面臨權衡：更大的柵極面積有助于降低RDS(on)，從而減少導通損耗，但更大的柵極面積也增加了QG，從而增加了柵極電荷損耗。

總結

基于MOSFET的開關電路通常比依賴于晶體管線性操作模式的電路實現了更高的效率。然而，開關損耗確實存在。估算這些損耗的能力可以幫助你優化設計，避免潛在的嚴重熱故障。