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[導(dǎo)讀]作者:張飛電子實(shí)戰(zhàn) mos在控制器電路中的工作狀態(tài):開(kāi)通過(guò)程(由截止到導(dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程(由導(dǎo)通到截止的過(guò)渡過(guò)程)、截止?fàn)顟B(tài)。 Mos主要損耗也對(duì)應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài),開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程),導(dǎo)通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個(gè)

作者:張飛電子實(shí)戰(zhàn)


mos在控制器電路中的工作狀態(tài):開(kāi)通過(guò)程(由截止到導(dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程(由導(dǎo)通到截止的過(guò)渡過(guò)程)、截止?fàn)顟B(tài)。

Mos主要損耗也對(duì)應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài),開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)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承受規(guī)格之內(nèi),mos即會(huì)正常工作,超出承受范圍,即發(fā)生損壞。而開(kāi)關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗,不同mos這個(gè)差距可能很大。

Mos損壞主要原因:

過(guò)流----------持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過(guò)高而燒毀;
過(guò)壓----------源漏過(guò)壓擊穿、源柵極過(guò)壓擊穿;
靜電----------靜電擊穿,CMOS電路都怕靜電;


Mos開(kāi)關(guān)原理(簡(jiǎn)要):Mos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?。?/span>
Mos問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)這么簡(jiǎn)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(guò)程就是給電容充電的過(guò)程(電容電壓不能突變),所以mos源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)通的開(kāi)通過(guò)程受柵極電容的充電過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(wèn)題就是這個(gè)米勒平臺(tái)如何過(guò)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(guò)快的充電會(huì)導(dǎo)致激烈的米勒震蕩,但過(guò)慢的充電雖減小了震蕩,但會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)從而增加開(kāi)關(guān)損耗。Mos開(kāi)通過(guò)程源級(jí)和漏級(jí)間等效電阻相當(dāng)于從無(wú)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只有幾毫歐姆)的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程。

比如一個(gè)mos最大電流100a,電池電壓96v,在開(kāi)通過(guò)程中,有那么一瞬間(剛進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí))mos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(lái),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導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆),開(kāi)關(guān)過(guò)程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。

如果開(kāi)通時(shí)間慢,意味著發(fā)熱從9600w到30w過(guò)渡的慢,mos結(jié)溫會(huì)升高的厲害。所以開(kāi)關(guān)越慢,結(jié)溫越高,容易燒mos。為了不燒mos,只能降低mos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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗不一樣(開(kāi)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內(nèi)阻決定,和電池電壓沒(méi)任何關(guān)系。

其實(shí)整個(gè)mos開(kāi)通過(guò)程非常復(fù)雜。里面變量太多??傊褪情_(kāi)關(guān)慢不容易米勒震蕩,但開(kāi)關(guān)損耗大,管子發(fā)熱大,開(kāi)關(guān)速度快理論上開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗也大,并且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos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(kāi)通過(guò)程不超過(guò)1us)。開(kāi)通損耗這個(gè)最簡(jiǎn)單,只和導(dǎo)通電阻成正比,想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

▼ 下面介紹下對(duì)普通用戶實(shí)用點(diǎn)的▼

Mos挑選的重要參數(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明,以datasheet舉例說(shuō)明:
柵極電荷;Qgs, Qgd:

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(guò)程給Cgd(Crss,這個(gè)電容隨著gd電壓不同迅速變化)充電。

下面是型號(hào)stp75nf75:

我們普通75管Qgs是27nc,Qgd是47nc。結(jié)合它的充電曲線。
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(kāi)關(guān)過(guò)沖中,mos主要發(fā)熱區(qū)間是粗紅色標(biāo)注的階段。從Vgs開(kāi)始超過(guò)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基本完全打開(kāi)這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗(mos內(nèi)阻越低損耗越低)。

閾值電壓前,mos沒(méi)有打開(kāi),幾乎沒(méi)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(guò)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(guò),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(guò)開(kāi)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(guò)不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測(cè)試條件的。測(cè)試條件不同,內(nèi)阻測(cè)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制造工藝的特性,改變不了,能稍改善)。所以大電流測(cè)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(cè)試,內(nèi)阻降低(因?yàn)榻Y(jié)溫沒(méi)有大幅升高,沒(méi)熱積累)。

有的管子標(biāo)稱典型內(nèi)阻和你自己用小電流測(cè)試幾乎一樣,而有的管子自己小電流測(cè)試比標(biāo)稱典型內(nèi)阻低很多(因?yàn)樗臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是大電流)。當(dāng)然這里也有廠家標(biāo)注不嚴(yán)格問(wèn)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。


-END-


終于明白:什么是PWM“死區(qū)”!
二極管為什么單向?qū)щ??這篇文章終于說(shuō)明白了
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