MOS管知識科普：功率mos管為何會(huì )被燒毀詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-05-29
本文主要解析功率mos管為何會(huì )被燒毀。mos在控制器電路中的工作狀態(tài)：開(kāi)通過(guò)程（由截止到導通的過(guò)渡過(guò)程）、導通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程（由導通到截止的過(guò)渡過(guò)程）、截止狀態(tài)。
Mos主要損耗也對應這幾個(gè)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程），導通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個(gè)忽略不計），還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在mos承受規格之內，mos即會(huì )正常工作，超出承受范圍，即發(fā)生損壞。而開(kāi)關(guān)損耗往往大于導通狀態(tài)損耗，不同mos這個(gè)差距可能很大。
過(guò)流：持續大電流或瞬間超大電流引起的結溫過(guò)高而燒毀；
過(guò)壓：源漏過(guò)壓擊穿、源柵極過(guò)壓擊穿；
靜電：靜電擊穿，CMOS電路都怕靜電；
Mos開(kāi)關(guān)原理（簡(jiǎn)要）：Mos是電壓驅動(dòng)型器件，只要柵極和源級間給一個(gè)適當電壓，源級和漏級間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為mos內阻，就是導通電阻
Mos問(wèn)題遠沒(méi)這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵極和源級間，源級和漏級間，柵極和漏級間內部都有等效電容。所以給柵極電壓的過(guò)程就是給電容充電的過(guò)程（電容電壓不能突變），所以mos源級和漏級間由截止到導通的開(kāi)通過(guò)程受柵極電容的充電過(guò)程制約。然而，這三個(gè)等效電容是構成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們相互影響，并不是獨立的，如果獨立的就很簡(jiǎn)單了。
其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級間的電容Cgd，這個(gè)電容業(yè)界稱(chēng)為米勒電容。這個(gè)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(gè)米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石，因為柵極給柵-源電容Cgs充電達到一個(gè)平臺后，柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電。這時(shí)柵極和源級間電壓不再升高，達到一個(gè)平臺，這個(gè)是米勒平臺（米勒平臺就是給Cgd充電的過(guò)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，到達一定平臺后再給Cgd充電）。
因為這個(gè)時(shí)候源級和漏級間電壓迅速變化，內部電容相應迅速充放電，這些電流脈沖會(huì )導致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），并且電流脈沖越強頻率越高震蕩幅度越大，所以最關(guān)鍵的問(wèn)題就是這個(gè)米勒平臺如何過(guò)渡。
Gs極加電容，減慢mos管導通時(shí)間，有助于減小米勒振蕩。防止mos管燒毀。
過(guò)快的充電會(huì )導致激烈的米勒震蕩，但過(guò)慢的充電雖減小了震蕩，但會(huì )延長(cháng)開(kāi)關(guān)從而增加開(kāi)關(guān)損耗。Mos開(kāi)通過(guò)程源級和漏級間等效電阻相當于從無(wú)窮大電阻到阻值很小的導通內阻（導通內阻一般低壓mos只有幾毫歐姆）的一個(gè)轉變過(guò)程。
比如一個(gè)mos最大電流100a，電池電壓96v，在開(kāi)通過(guò)程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺時(shí)）mos發(fā)熱功率是P=V*I(此時(shí)電流已達最大，負載尚未跑起來(lái)，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通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（這里假設這個(gè)mos導通內阻3毫歐姆），開(kāi)關(guān)過(guò)程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。
如果開(kāi)通時(shí)間慢，意味著(zhù)發(fā)熱從9600w到30w過(guò)渡的慢，mos結溫會(huì )升高的厲害。所以開(kāi)關(guān)越慢，結溫越高，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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗不一樣（開(kāi)關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設限流一樣），導通損耗完全受mos內阻決定，和電池電壓沒(méi)任何關(guān)系。
其實(shí)整個(gè)mos開(kāi)通過(guò)程非常復雜。里面變量太多。總之就是開(kāi)關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開(kāi)關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開(kāi)關(guān)速度快理論上開(kāi)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?chē)乐兀赡茉诿桌掌脚_就燒管子了），反而開(kāi)關(guān)損耗也大，并且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos誤導通，形成上下臂短路。
所以這個(gè)很考驗設計師的驅動(dòng)電路布線(xiàn)和主回路布線(xiàn)技能。最終就是找個(gè)平衡點(diǎn)（一般開(kāi)通過(guò)程不超過(guò)1us）。開(kāi)通損耗這個(gè)最簡(jiǎn)單，只和導通電阻成正比，想大電流低損耗找內阻低的。
以datasheet舉例說(shuō)明：柵極電荷；Qgs, Qgd：
Qgs：指的是柵極從0v充電到對應電流米勒平臺時(shí)總充入電荷（實(shí)際電流不同，這個(gè)平臺高度不同，電流越大，平臺越高，這個(gè)值越大）。這個(gè)階段是給Cgs充電（也相當于Ciss，輸入電容）。
Qgd：指的是整個(gè)米勒平臺的總充電電荷（在這稱(chēng)為米勒電荷）。這個(gè)過(guò)程給Cgd（Crss，這個(gè)電容隨著(zhù)gd電壓不同迅速變化）充電。
開(kāi)關(guān)過(guò)沖中，mos主要發(fā)熱區間是粗紅色標注的階段。從Vgs開(kāi)始超過(guò)閾值電壓，到米勒平臺結束是主要發(fā)熱區間。其中米勒平臺結束后mos基本完全打開(kāi)這時(shí)損耗是基本導通損耗（mos內阻越低損耗越低）。
閾值電壓前，mos沒(méi)有打開(kāi)，幾乎沒(méi)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充電將近結束，快到米勒平臺和剛進(jìn)入米勒平臺這個(gè)過(guò)程發(fā)熱功率最大（更粗線(xiàn)表示）。
所以一定充電電流下，紅色標注區間總電荷小的管子會(huì )很快度過(guò)，這樣發(fā)熱區間時(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(guò)開(kāi)關(guān)區。
導通內阻：Rds（on）；這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過(guò)不同廠(chǎng)家標的內阻是有不同測試條件的。測試條件不同，內阻測量值會(huì )不一樣。同一管子，溫度越高內阻越大（這是硅半導體材料在mos制造工藝的特性，改變不了，能稍改善）。所以大電流測試內阻會(huì )增大（大電流下結溫會(huì )顯著(zhù)升高），小電流或脈沖電流測試，內阻降低（因為結溫沒(méi)有大幅升高，沒(méi)熱積累）。
有的管子標稱(chēng)典型內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稱(chēng)典型內阻低很多（因為它的測試標準是大電流）。當然這里也有廠(chǎng)家標注不嚴格問(wèn)題，不要完全相信。所以選擇標準是：找Qgs和Qgd小的mos管，并同時(shí)符合低內阻的mos管。
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