MOS管在控制器電路中的工作狀態(tài):開通過程(由截止到導(dǎo)通的過渡過程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程(由導(dǎo)通到截止的過渡過程)、截止?fàn)顟B(tài)。MOS管主要損耗也對(duì)應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài)。
MOS管主要損耗:開關(guān)損耗(開通過程和關(guān)斷過程),導(dǎo)通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個(gè)忽略不計(jì)),還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在MOS管承受規(guī)格之內(nèi),MOS管即會(huì)正常工作,超出承受范圍,即發(fā)生損壞。而開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗(不同MOS管這個(gè)差距可能很大)。
MOS管損壞主要原因:
過流--持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過高而燒毀;
過壓--源漏過壓擊穿 源柵極過壓擊穿;
靜電--靜電擊穿 CMOS管電路都怕靜電;
MOS管簡要開關(guān)原理:MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)型器件,只要柵極和源級(jí)間給一個(gè)適當(dāng)電壓,源級(jí)和漏級(jí)間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS管內(nèi)阻,就是導(dǎo)通電阻<Rds(on)>。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了MOS管芯片能承受的最大導(dǎo)通電流(當(dāng)然和其它因素有關(guān),最有關(guān)的是熱阻)。內(nèi)阻越小承受電流越大(因?yàn)榘l(fā)熱?。?。
MOS管問題遠(yuǎn)沒這么簡單,麻煩在它的柵極和源級(jí)間,源級(jí)和漏級(jí)間,柵極和漏級(jí)間內(nèi)部都有等效電容。所以給柵極電壓的過程就是給電容充電的過程(電容電壓不能突變),所以MOS管源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。
然而,這三個(gè)等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系,它們相互影響,并不是獨(dú)立的,如果獨(dú)立的就很簡單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級(jí)間的電容Cgd,這個(gè)電容業(yè)界稱為米勒電容。
這個(gè)電容不是恒定的,隨柵極和漏級(jí)間電壓變化而迅速變化。這個(gè)米勒電容是柵極和源級(jí)電容充電的絆腳石,因?yàn)闁艠O給柵-源電容Cgs充電達(dá)到一個(gè)平臺(tái)后,柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電,這時(shí)柵極和源級(jí)間電壓不再升高,達(dá)到一個(gè)平臺(tái),這個(gè)是米勒平臺(tái)(米勒平臺(tái)就是給Cgd充電的過程),米勒平臺(tái)大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。(即,柵極先給Cgs充電,到達(dá)一定平臺(tái)后再給Cgd充電)
因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)間電壓迅速變化,內(nèi)部電容相應(yīng)迅速充放電,這些電流脈沖會(huì)導(dǎo)致MOS管寄生電感產(chǎn)生很大感抗,這里面就有電容,電感,電阻組成震蕩電路(能形成2個(gè)回路),并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大。所以最關(guān)鍵的問題就是這個(gè)米勒平臺(tái)如何過渡。
Gs極加電容,減慢MOS管導(dǎo)通時(shí)間,有助于減小米勒振蕩。防止MOS管燒毀。
過快的充電會(huì)導(dǎo)致激烈的米勒震蕩,但過慢的充電雖減小了震蕩,但會(huì)延長開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。MOS管開通過程源級(jí)和漏級(jí)間等效電阻相當(dāng)于從無窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻(導(dǎo)通內(nèi)阻一般低壓MOS管只有幾毫歐姆)的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程。
比如一個(gè)MOS管最大電流100a,電池電壓96v,在開通過程中,有那么一瞬間(剛進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí))MOS管發(fā)熱功率是P=V*I(此時(shí)電流已達(dá)最大,負(fù)載尚未跑起來,所有的功率都降落在MOS管上),P=96*100=9600w!
這時(shí)它發(fā)熱功率最大,然后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w(這里假設(shè)這個(gè)MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆)。開關(guān)過程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。
如果開通時(shí)間慢,意味著發(fā)熱從9600w到30w過渡的慢,MOS管結(jié)溫會(huì)升高的厲害。所以開關(guān)越慢,結(jié)溫越高,容易燒MOS管。為了不燒MOS管,只能降低MOS管限流或者降低電池電壓,比如給它限制50a或電壓降低一半成48v,這樣開關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。不燒管子了。
這也是高壓控容易燒管子原因,高壓控制器和低壓的只有開關(guān)損耗不一樣(開關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比,假設(shè)限流一樣),導(dǎo)通損耗完全受MOS管內(nèi)阻決定,和電池電壓沒任何關(guān)系。
其實(shí)整個(gè)MOS管開通過程非常復(fù)雜。里面變量太多??傊褪情_關(guān)慢不容易米勒震蕩,但開關(guān)損耗大,管子發(fā)熱大,開關(guān)速度快理論上開關(guān)損耗低(只要能有效抑制米勒震蕩),但是往往米勒震蕩很厲害(如果米勒震蕩很嚴(yán)重,可能在米勒平臺(tái)就燒管子了),反而開關(guān)損耗也大,并且上臂MOS管震蕩更有可能引起下臂MOS管誤導(dǎo)通,形成上下臂短路。
所以這個(gè)很考驗(yàn)設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)電路布線和主回路布線技能。最終就是找個(gè)平衡點(diǎn)(一般開通過程不超過1us)。開通損耗這個(gè)最簡單,只和導(dǎo)通電阻成正比,想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。
實(shí)用措施介紹
MOS管挑選的重要參數(shù)簡要說明。以datasheet舉例說明。
Qgs:指的是柵極從0v充電到對(duì)應(yīng)電流米勒平臺(tái)時(shí)總充入電荷(實(shí)際電流不同,這個(gè)平臺(tái)高度不同,電流越大,平臺(tái)越高,這個(gè)值越大)。這個(gè)階段是給Cgs充電(也相當(dāng)于Ciss,輸入電容)。
Qgd:指的是整個(gè)米勒平臺(tái)的總充電電荷(在這稱為米勒電荷)。這個(gè)過程給Cgd(Crss,這個(gè)電容隨著gd電壓不同迅速變化)充電。
stp75nf75型號(hào),普通75管Qgs是27nc,Qgd是47nc。結(jié)合充電曲線。
進(jìn)入平臺(tái)前給Cgs充電,總電荷Qgs 27nc,平臺(tái)米勒電荷Qgd 47nc。而在開關(guān)過沖中,MOS管主要發(fā)熱區(qū)間是粗紅色標(biāo)注的階段。從Vgs開始超過閾值電壓,到米勒平臺(tái)結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。
其中米勒平臺(tái)結(jié)束后MOS管基本完全打開這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗(MOS管內(nèi)阻越低損耗越低)。閾值電壓前,MOS管沒有打開,幾乎沒損耗(只有漏電流引起的一點(diǎn)損耗)。
其中又以紅色拐彎地方損耗最大(Qgs充電將近結(jié)束,快到米勒平臺(tái)和剛進(jìn)入米勒平臺(tái)這個(gè)過程發(fā)熱功率最大(更粗線表示)。
所以一定充電電流下,紅色標(biāo)注區(qū)間總電荷小的管子會(huì)很快度過,這樣發(fā)熱區(qū)間時(shí)間就短,總發(fā)熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的MOS管能快速度過開關(guān)區(qū)。
導(dǎo)通內(nèi)阻。Rds(on)。這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測試條件的。測試條件不同,內(nèi)阻測量值會(huì)不一樣。
同一管子,溫度越高內(nèi)阻越大(這是硅半導(dǎo)體材料在MOS管制造工藝的特性,改變不了,能稍改善)。所以大電流測試內(nèi)阻會(huì)增大(大電流下結(jié)溫會(huì)顯著升高),小電流或脈沖電流測試,內(nèi)阻降低(因?yàn)榻Y(jié)溫沒有大幅升高,沒熱積累)。
有的管子標(biāo)稱典型內(nèi)阻和你自己用小電流測試幾乎一樣,而有的管子自己小電流測試比標(biāo)稱典型內(nèi)阻低很多(因?yàn)樗臏y試標(biāo)準(zhǔn)是大電流)。當(dāng)然也有廠家標(biāo)注不嚴(yán)格問題,不要完全相信。
所以選擇標(biāo)準(zhǔn)是:找Qgs和Qgd小的MOS管,并同時(shí)符合低內(nèi)阻的MOS管。
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