淺談MOS管的發(fā)熱原因和解決辦法

大家好，我是磚一。

今天給大家分享一下MOS管基礎(chǔ)知識(shí)，為什么內(nèi)阻那么小的MOS管，也會(huì)發(fā)熱？有做功率元器件&開關(guān)電源和IC的朋友可以了解一下，希望對(duì)你有用~

一，MOS管發(fā)熱影響因素

經(jīng)常查閱MOS管的數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)可以經(jīng)常看到如下參數(shù)，

導(dǎo)通阻抗RDS(on)柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGS流經(jīng)開關(guān)的漏極電流Id熱阻RθJC，結(jié)到管殼的熱阻抗

查閱某MOS管datasheet，可得

圖1 VGS，ID，RθJC

圖2 不同Vgs電壓對(duì)應(yīng)不同Rds(on)

由圖2可知，數(shù)據(jù)手冊(cè)定義Rds(on)與VGS和Id有關(guān)，但對(duì)于一個(gè)充分導(dǎo)通的MOS管來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通阻抗Rds(on)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)，當(dāng)我們使用MOS管做開關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致MOS管很快發(fā)熱。

另外如圖3所示，慢慢升高的熱阻RθJC也會(huì)導(dǎo)致Rds的增加。隨著Rds的增加，會(huì)直接導(dǎo)致MOS管損耗增加，從而導(dǎo)致發(fā)熱現(xiàn)象，這也是MOS管發(fā)熱的根本原因。

圖3 導(dǎo)通阻抗和熱阻

二，MOS管發(fā)熱具體分析

1，主回路電路設(shè)計(jì)不當(dāng)。我們通常使用的MOS管一般都是工作在開關(guān)區(qū)內(nèi)，所以叫開關(guān)電壓嘛，如果MOS管工作在線性區(qū)狀態(tài)下，導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致工作在線性區(qū)內(nèi)，如下圖3所示是開關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程。當(dāng)用NMOS作為開關(guān)管時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vgs要大于電源電壓才能完全導(dǎo)通，PMOS管則相反。如果沒有完全導(dǎo)通的話，等效直流阻抗增大，壓降Vds也會(huì)增大，P=Vds*Id，損耗也會(huì)增大，導(dǎo)致MOS管發(fā)熱嚴(yán)重。

圖4 MOS管導(dǎo)通過(guò)程

2，MOS管的開關(guān)頻率過(guò)高。頻率與導(dǎo)通損耗是成正比的，我們的開關(guān)電源就是利用開關(guān)頻率高使得在有限的體積內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更多次數(shù)的開關(guān)，同時(shí)從前級(jí)傳遞更多的能量給到后級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)需要的功能。所以當(dāng)我們追求體積越小的產(chǎn)品時(shí)候，會(huì)使用更高頻率的開關(guān)管，那么如果在調(diào)試過(guò)程中，MOS管的溫升比較高，首先想想是否使用MOS管的開關(guān)頻率過(guò)高導(dǎo)致。

3，MOS管選型不當(dāng)。多數(shù)工程師選型的過(guò)程中都會(huì)選擇小的導(dǎo)通阻抗Rds(on)，但是當(dāng)導(dǎo)通阻抗小了，寄生電容Cgd，Cgs就會(huì)增大，這是因?yàn)樵骷?nèi)部結(jié)構(gòu)問題決定的，在同樣材料條件下，面積越大，電阻就越小，而電容跟面積的關(guān)系是面積越大，電容Cds和Cgs越大，會(huì)出現(xiàn)米勒效應(yīng)，從而增加了功耗，所以選用開關(guān)管夠用即可，內(nèi)阻追求太低也不好。關(guān)于米勒效應(yīng)，最近會(huì)出一期專門分析，敬請(qǐng)期待~分析：該曲線中，當(dāng)電容越大，充電時(shí)間越久，留在放大區(qū)間的時(shí)間就長(zhǎng)了，開關(guān)損耗就大了，MOS管發(fā)熱量就大。

圖4-1 米勒平臺(tái)的產(chǎn)生

4，流經(jīng)開關(guān)的漏極電流Id過(guò)大，主要是沒有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，規(guī)格書上的MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以選型要選稍微大一點(diǎn)的ID，如果ID小于最大工作電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要加上輔助散熱片。

三，MOS管損耗測(cè)試

為了解決MOS管發(fā)熱的問題，我們可以通過(guò)上述多種情況分析，是否是由以上幾種情況造成的，但是要想準(zhǔn)確判斷某一種情況，還需要進(jìn)行測(cè)試MOS管的損耗。那么我們就需要測(cè)試一下MOS管的頻率是否偏高，測(cè)試一下漏源極電壓VGS和漏極電流ID等等，還能直接算出MOS管的功耗。

MOS管的工作狀態(tài)有四種情況，分別是開通過(guò)程，導(dǎo)通過(guò)程，關(guān)斷過(guò)程和截止過(guò)程。

圖5 MOS管導(dǎo)通全過(guò)程

那么對(duì)應(yīng)的損耗自然主要是四種，分別是開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，截止損耗，還有一個(gè)是能量損耗，但是對(duì)應(yīng)開關(guān)管來(lái)說(shuō)，開關(guān)損耗遠(yuǎn)大于能量損耗，小部分能量體現(xiàn)在導(dǎo)通狀態(tài)，而關(guān)閉狀態(tài)幾乎不消耗能量，可胡蘿卜雞，具體損耗以下面公式計(jì)算：

Eswitch=Eon+Econd+Eoff =(Pon+Pcond+Poff)?Ts

圖6 MOS管損耗波形分析

通過(guò)示波器的開關(guān)損耗測(cè)試功能，我們就可以實(shí)現(xiàn)MOS管的開關(guān)損耗測(cè)試，如下我們測(cè)試出MOS管的VGS和ID，可以看到波形，電壓值和電流值，還有開關(guān)過(guò)程中的開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，截止損耗，通過(guò)數(shù)字進(jìn)行量化，判斷出到底是哪個(gè)損耗帶來(lái)的問題，最終確定MOS管發(fā)熱的問題點(diǎn)。