什么是MOS管?它有什么特點(diǎn)?在常見的控制器電路中，MOS管有幾個(gè)工作狀態(tài)，而MOS 主要損耗也對應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài)，本文就來探討一下MOS的這些狀態(tài)的原理。MOS的工作狀態(tài)分為：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對應(yīng)這些狀態(tài)的主要損耗：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 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 損壞原因
MOS 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 電路都怕靜電。
MOS 開關(guān)原理
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。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)熱小)。
防止 MOS 燒毀
MOS 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)，而 MOS 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 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)頻率越高振蕩幅度越大，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)致激烈的米勒振蕩，但過慢的充電雖減小了振蕩，但會(huì)延長開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。MOS 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 只有幾毫歐姆)的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程。
比如一個(gè) MOS 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 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 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 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。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 內(nèi)阻決定，和電池電壓沒任何關(guān)系。
其實(shí)整個(gè) MOS 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 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。
▼下面介紹點(diǎn)對普通用戶實(shí)用的▼
MOS 挑選的重要參數(shù)簡要說明，以 datasheet 舉例說明。
柵極電荷：Qgs、Qgd。
Qgs：
指的是柵極從 0v 充電到對應(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。
▼舉例說明▼
以型號(hào) stp75nf75 的 MOS 管為例。
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。
而在開關(guān)過沖中，MOS 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 基本完全打開這時(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 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)然這里也有廠家標(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 M 管。以上就是MOS管解析，希望能給大家?guī)椭?
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