为什么不应使用 Rds(on) 来选择和比较开关电源转换器中的器件

技术分享GaN技术杂谈 – Andrea Gorgerino 8月 05, 2023

与电压等级一起，R_DS(ON) 是一个常见的参数，用于描述硅MOSFET和氮化镓FET。R_DS(ON) 是在给定技术平台内描述器件尺寸及其成本的良好指标。然而，在大多数开关电源转换器中，损耗是导通损耗和开关损耗的组合。 因此，R_DS(ON) 既不是不同技术平台之间也不是同一技术平台内的可靠性能指标。 这在设计师从硅MOSFET转换到氮化镓FET时尤其如此。

硅MOSFET和氮化镓FET在参数上的权衡有很大不同，这是由于它们的基本器件特性所致。由于缺乏能够轻松比较不同制造商器件的工具，使得比较变得更加复杂。为应对这一挑战，EPC与 DiscoverEE 合作，发布了基于超过20000个硅MOSFET和氮化镓FET的数据库的硅对氮化镓FET交叉参考工具。 例如，使用该工具的默认条件，用户可以搜索80V 2.2mO的ONSemi FDMS2D5N08C的替代品。该工具依赖于从数据表中提取的简化模型，并在给定的一组默认条件下计算一个等效的性能指标，以瓦特表示。图1显示了该搜索的结果，所有显示的氮化镓FET的R_DS(ON) 较高，但功率损耗的性能指标更好。

Cross reference results for ONSemi FDMS2D5N08C — 图1 - ONSemi FDMS2D5N08C的交叉参考结果

为了验证这一选择，用户可以使用EPC开发的降压转换器损耗计算工具。该工具计算在基本半桥拓扑中作为同步降压转换器运行时的损耗。这个基本构建模块代表了许多不同的电源转换器使用案例。图2显示了该工具在典型的48V到12V，26A降压转换器在500kHz下运行的主要结果（实际列表更长）。从该表中可以看到同样的趋势：R_DS(ON) 是一个误导性的总损耗指标。例如，EPC2088在本次比较中具有最低的R_DS(ON)，但不是损耗最低的，而EPC2619和EPC2065有相同的R_DS(ON)，虽然EPC2619的性能更好。

Comparison of total losses in the control switch of a buck converter for devices with different Rds(on) — 图2 - 对比不同R_DS(ON)器件在降压转换器控制开关中的总损耗

为了验证这一选择，EPC的应用组进行了真实环境中的对比实验，将ONSemi FDMS2D5N08C与最新一代的EPC2619进行了并排比较。建造了两个尺寸相同、布局尽可能相近的板，如图3所示。

Top and bottom view of test board for EPC2619 — 图3 - EPC2619（左）和FDMS2D5N08C（右）测试板的顶部和底部视图

Top and bottom view of test board for FDMS2D5N08C (right) — 图3 - EPC2619（左）和FDMS2D5N08C（右）测试板的顶部和底部视图

比较结果如图4所示，证实了之前的比较结果：3.3mO的EPC2619氮化镓FET的损耗远低于2.2mO的FDMS2D5N08C硅MOSFET。请注意，测量结果中还包含了电感器的损耗（两块板使用了相同的电感器）。

Efficiency and losses from the operation in a 48V to 12V, 26 A buck converter operated at 500kHz — 图4 - 48V到12V，26A降压转换器在500kHz下运行的效率和损耗

从设计师的角度来看，R_DS(ON) 是比较器件的一种简单方法；然而，我们已经看到它是实际性能的误导性指标。此外，虽然我们看到的趋势相当一致，但确切的权衡是特定于应用和条件的，使得从简单的读数据表来评估它们变得更加困难。这就是为什么EPC投资开发了硅对氮化镓FET交叉参考工具和降压损耗计算工具，以便快速指导用户选择合适的氮化镓FET。 希望这将减少将R_DS(ON 作为器件选择主要标准的使用。