mos 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 主要損耗也對應(yīng)這幾個狀態(tài),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,這個忽略不計),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 這個差距可能很大。
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(簡要):Mos 是電壓驅(qū)動型器件,只要柵極和源級間給一個適當(dāng)電壓,源級和漏級間通路就形成。這個電流通路的電阻被成為 mos 內(nèi)阻,就是導(dǎo)通電阻。這個內(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?。?/p>
Mos 問題遠(yuǎn)沒這么簡單,麻煩在它的柵極和源級間,源級和漏級間,柵極和漏級間內(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 源級和漏級間由截止到導(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。
其中一個關(guān)鍵電容就是柵極和漏級間的電容 Cgd,這個電容業(yè)界稱為米勒電容。這個電容不是恒定的,隨柵極和漏級間電壓變化而迅速變化。這個米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石,因?yàn)闁艠O給柵 - 源電容 Cgs 充電達(dá)到一個平臺后,柵極的充電電流必須給米勒電容 Cgd 充電。這時柵極和源級間電壓不再升高,達(dá)到一個平臺,這個是米勒平臺(米勒平臺就是給 Cgd 充電的過程),米勒平臺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)一定平臺后再給 Cgd 充電)。
因?yàn)檫@個時候源級和漏級間電壓迅速變化,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)鍵的問題就是這個米勒平臺如何過渡。
Gs 極加電容,減慢 mos 管導(dǎo)通時間,有助于減小米勒振蕩。防止 mos 管燒毀。
過快的充電會導(dǎo)致激烈的米勒震蕩,但過慢的充電雖減小了震蕩,但會延長開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。Mos 開通過程源級和漏級間等效電阻相當(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)的一個轉(zhuǎn)變過程。
比如一個 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)入米勒平臺時)mos 發(fā)熱功率是 P=V*I(此時電流已達(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)通時功率變成 100*100*0.003=30w(這里假設(shè)這個 mos 導(dǎo)通內(nèi)阻 3 毫歐姆),開關(guān)過程中這個發(fā)熱功率變化是驚人的。
如果開通時間慢,意味著發(fā)熱從 9600w 到 30w 過渡的慢,mos 結(jié)溫會升高的厲害。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 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。
所以這個很考驗(yàn)設(shè)計師的驅(qū)動電路布線和主回路布線技能。最終就是找個平衡點(diǎn)(一般開通過程不超過 1us)。開通損耗這個最簡單,只和導(dǎo)通電阻成正比,想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。
▼下面介紹下對普通用戶實(shí)用點(diǎn)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)電流米勒平臺時總充入電荷(實(shí)際電流不同,這個平臺高度不同,電流越大,平臺越高,這個值越大)。這個階段是給 Cgs 充電(也相當(dāng)于 Ciss,輸入電容)。
Qgd:
指的是整個米勒平臺的總充電電荷(在這稱為米勒電荷)。這個過程給 Cgd(Crss,這個電容隨著 gd 電壓不同迅速變化)充電。
下面是型號 stp75nf75:
我們普通 75 管 Qgs 是 27nc,Qgd 是 47nc。結(jié)合它的充電曲線。
進(jìn)入平臺前給 Cgs 充電,總電荷 Qgs 27nc,平臺米勒電荷 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,到米勒平臺結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。其中米勒平臺結(jié)束后 mos 基本完全打開這時損耗是基本導(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,快到米勒平臺和剛進(jìn)入米勒平臺這個過程發(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很快度過,這樣發(fā)熱區(qū)間時間就短,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)阻會增大(大電流下結(jié)溫會顯著升高),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,并同時符合低內(nèi)阻的 mos 管。
審核編輯 黃昊宇
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MOS管
+關(guān)注
關(guān)注
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