??在開(kāi)關(guān)電源電路中,MOSFET作為最核心的器件,卻也是最容易發(fā)熱燒毀的,那么MOSFET到底承受了什么導(dǎo)致發(fā)熱呢?本文來(lái)帶你具體分析。
MOSFET工作原理
什么是MOSFET?MOSFET是全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體。
它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型通常稱P溝道型。如圖1所示,對(duì)于N溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管,如圖2所示,其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。無(wú)論N型或者P型MOS管,其工作原理是一樣的,都是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流 (或稱輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)),故可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。
當(dāng)MOSFET處于工作狀態(tài)時(shí),MOSFET截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏,漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電:在柵源極間加正電壓UGS,柵極是絕緣的,所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。
圖1 N溝道型MOSFET
圖2 P溝道型MOSFET
MOSFET發(fā)熱影響因素
MOS管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常有以下參數(shù):導(dǎo)通阻抗RDS(ON),柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流漏源極電流ID,RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng)) 電壓VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān),但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng),RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。除此之外,慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。隨著RDS的增加,導(dǎo)致功率管的損耗增加,從而導(dǎo)致發(fā)熱現(xiàn)象,這也是MOSFET發(fā)熱的根本原因。
那么總結(jié)導(dǎo)致發(fā)熱的主要因素主要有以下幾點(diǎn):
電路設(shè)計(jì)問(wèn)題,MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài),MOS管導(dǎo)通過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致,如圖3所示為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程。例如:讓N-MOS做開(kāi)關(guān),G級(jí)電壓就要比電源高幾V才能完全導(dǎo)通,而P-MOS則相反。沒(méi)有完全導(dǎo)通,由于等效直流阻抗較大,所以壓降增大,Vds*Id也增大,從而造成損耗過(guò)大導(dǎo)致發(fā)熱。
功率管的驅(qū)動(dòng)頻率太高,頻率與導(dǎo)通損耗也成正比,所以功率管發(fā)熱時(shí),首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。主要是有時(shí)過(guò)分追求體積,導(dǎo)致頻率提高,MOS管上的損耗增大。
功率管選型不當(dāng),導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))確實(shí)是最為關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù),然而開(kāi)關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs也有關(guān),大部分工程師會(huì)優(yōu)先選用低導(dǎo)通電阻的MOS管,然而內(nèi)阻越小,cgs和cgd電容越大,所以選擇功率管時(shí)夠用就行,不能選擇太小的內(nèi)阻。
通過(guò)漏極和源極的導(dǎo)通電流ID過(guò)大,造成這樣的原因主要是沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì),MOS管標(biāo)稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的輔助散熱片。
圖3 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程
如何測(cè)試功率損耗?
為了解決MOS管發(fā)熱問(wèn)題,要準(zhǔn)確判斷是否是以上幾種原因造成,更重要的是對(duì)開(kāi)關(guān)管功率損耗進(jìn)行正確的測(cè)試,才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在,從而找對(duì)改善的關(guān)鍵點(diǎn)。那么我們可以通過(guò)示波器來(lái)觀看開(kāi)關(guān)管波形,來(lái)判斷驅(qū)動(dòng)頻率是否過(guò)高,以及測(cè)試G極驅(qū)動(dòng)電壓的大小、通過(guò)漏源極的Id電流大小等,并直接測(cè)試出開(kāi)關(guān)管的功率損耗。
MOS管工作狀態(tài)有四種,開(kāi)通過(guò)程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程,截止?fàn)顟B(tài)。
MOS管主要損耗:開(kāi)關(guān)損耗,導(dǎo)通損耗,截止損耗,還有能量損耗,開(kāi)關(guān)損耗往往大于后者,小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”,而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0,可以忽略不計(jì)。具體使用下面公式計(jì)算:
Eswitch=Eon+Econd+Eoff=(Pon+Pcond+Poff)?Ts
圖4 MOS管工作全過(guò)程
圖5 MOSFET導(dǎo)通功耗波形
通過(guò)示波器的電源測(cè)試軟件中的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試功能,可得到以下開(kāi)關(guān)管的功率損耗測(cè)試結(jié)果,如圖6。通過(guò)結(jié)果我們可以判斷開(kāi)關(guān)管的具體通斷波形以及電壓、電流值,并得到整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程以及導(dǎo)通部分的損耗,從而可以判斷出有問(wèn)題的部分,進(jìn)行排查改善。
圖6 開(kāi)關(guān)管波形實(shí)際測(cè)試圖
致遠(yuǎn)電子ZDS5000示波器內(nèi)部集成了電源測(cè)試軟件,可以直接對(duì)開(kāi)關(guān)管的MOSFET進(jìn)行全過(guò)程各個(gè)部分的功率損耗測(cè)試。對(duì)于某些開(kāi)關(guān)元器件,開(kāi)關(guān)周期損耗不盡相同,且開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間很短,如Boost-PFC,因此不能用通過(guò)測(cè)量一個(gè)開(kāi)關(guān)周期(如80KHz)評(píng)估整體損耗。ZDS5000系列示波器有512M的存儲(chǔ)深度,可以對(duì)PFC等高速功率管進(jìn)行高采樣率的半波分析,因此能夠測(cè)量的更準(zhǔn)確,如圖7所示。
圖7 PFC半周波測(cè)試
文章來(lái)源:ZLG致遠(yuǎn)電子
審核編輯:湯梓紅
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