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MOSFET電路柵源極GS之間并聯電容后,MOS管為什么會炸管?原因分析

硬件那點事兒 ? 來源:硬件那點事兒 ? 作者:硬件那點事兒 ? 2024-11-15 18:25 ? 次閱讀

Part 01

前言

上一篇文章我們介紹了在進行MOSFET相關的電路設計時,可能會遇到MOSFET誤導通的問題,為了解決此問題,我們提出了兩種方法,一種是增大MOSFET柵極串聯電阻的阻值,另外一種是在MOSFET柵-源極之間并聯一個電容,有讀者在評論區說如果在柵-源極并聯一個電容,MOSFET可能會出現炸管的問題?那么在MOSFET柵-源極并聯電容和MOSFET炸管是否真的有聯系?內在的機制又是什么?如何解決?今天我們就詳細分析一下。

wKgZomc2MCqAZzXvAAd-5LDQUHg690.png

Part 02

原因分析

硬件電路設計中,電子元器件經常會出現EOS損壞,什么是EOS損壞呢?EOS對應的英文名稱是Electrical Overstress,也就是電氣過應力,指的是元器件因受到超過其額定極限的電應力,比如電壓,電流,溫度而損壞,這也是硬件工程師在售后件分析中的基本分析方向。

回到我們今天的主角MOSFET,MOSFET炸管也有三大原因,電壓,電流,溫度,比如MOSFET漏源極兩端的電壓超過了最大極限值,或者MOSFET的漏源極電流超過了最大極限值,或者MOSFET的溫度超出了最大結溫,這些參數限值我們都可以在規格書中查閱:

wKgZomc2MCqAW4IbAAHUKALdEEM999.png

對MOSFET而言,如果在MOSFET柵-源極之間并聯一個電容,不會導致MOSFET漏源極過壓,也不會導致漏源極電流過流,那導致MOSFET炸管的原因大概率就是過溫了。那電容是如何導致MOSFET過溫的呢?

Part 03

GS并聯電容如何導致MOS過溫炸管?

MOSFET工作就會產生損耗,MOSFET的功耗有兩大部分,導通損耗,開關損耗,導通損耗是指MOSFET在“導通”狀態,即柵極電壓大于MOSFET平臺電壓,此時MOSFET完全導通下產生的損耗。導通時,漏極和源極之間存在一個小電阻,稱為導通電阻RDS(on),當電流流過時產生的功耗。

導通損耗Pcon主要與MOSFET的導通電阻有關:

wKgZomc2MCuALHW7AAAJ7rI7p8Y587.png

通過上面的公式可以得出以下結論:

導通電阻越大(導通電阻隨溫度升高而增加),導通損耗越高。

負載電流越大,導通損耗越高。

在MOSFET柵-源極之間并聯一個電容不會影響負載電流和導通電阻。

開關損耗是MOSFET在開啟和關斷過程中產生的損耗。在每次開關時,MOSFET從導通到截止或從截止到導通的過程中,漏極電流和漏極-源極電壓并非瞬間達到目標狀態,而是有一個漸變過程。在這個過程中,電壓和電流同時存在,導致功耗。

看下圖就能明白了,由于MOS存在寄生電容,導致MOSFET存在米勒效應,在t1時間段內,Vds不變,Id增加,對應的功耗為藍色區域,在t2時間段內,Vds減小,Id基本不變(實際會緩慢增加),對應的功耗為藍色區域。

wKgZomc2MCuATo6MAADqHWruTmU900.png

開關損耗Psw的近似公式為:

wKgZomc2MCuARHZNAAAQNcpFVf4192.png

Vds是漏-源電壓。

Id是漏極電流。

ton和toff分別是MOSFET的開通時間和關斷時間(ton=t1+t2)。

f是開關頻率。

在MOSFET柵-源極之間并聯一個電容,由于電容充電需要時間,進而會增加MOSFET的開通時間和關斷時間,從而增大開通和關斷損耗,MOSFET的溫升=損耗*熱阻,如果電容容值過大就會導致MOSFET炸管。

如何計算并聯電容導致MOSFET開通時間和關斷時間的變化呢?我們可以基于電容充電的計算模型,把驅動MOSFET開啟,看作是對MOSFET柵源極電容Cgs,柵漏極電容Cgd充電,計算將電容充滿電所需的時間即可,具體的推導后續重開文章分析,本文著重分析柵-源極之間并聯一個電容和MOSFET炸管內在機理。

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