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聊聊功率mos管为何会被烧毁?
 日期:2022/9/16 12:32:00 

mos控制器电路中的工作状态:开启过程(从截止到导通的过渡过程)、导通状态、关闭过程(从导通到截止的过渡过程)和截止状态。

Mos主要损失也与这些状态相对应,开关损失(开关过程和关闭过程)、导向损失、截止损失(由泄漏电流引起的忽略)和雪崩能量损失。只要这些损失被控制mos承担规范,mos即将正常工作,超出承载范围,即损坏。开关损耗往往大于导通状态损耗,因此不同mos差距可能很大。

Mos损坏的主要原因:

过流-持续大电流或瞬时超大电流引起的结温过高而烧毁;

过压-源过压击穿,源栅过压击穿;

静电-静电击穿,CMOS电路怕静电;

Mos开关原理(简要):Mos它是一种电压驱动装置,只要栅极和源级之间给出适当的电压,就形成源级和泄漏级之间的通路。该电流通路的电阻已成为mos内阻是导电阻。内阻的大小基本决定mos芯片能承受的最大导电流(当然与其他因素有关,最相关的是热阻),内阻越小,承受的电流越大(因为热量小)。

Mos问题远没有那么简单。麻烦在于栅极和源级、源级和泄漏级。栅极和泄漏级之间有等效电容。因此,给栅极电压的过程是给电容充电的过程(电容电压不能突变),因此mos由截止到导通的开启过程受到栅极电容容的充电过程。

然而,这三个等效电容器构成串并联组合,它们相互影响,而不是独立的,如果它们是独立的,那就很简单了。

关键电容之一是栅极与漏级之间的电容Cgd,电容行业叫米勒电容。随着网极和漏级间电压的变化,电容器不是恒定的。这个米勒电容器是栅极和源电容器充电的绊脚石,因为栅极给栅-源电容器Cgs当充电到达平台时,必须给米勒电容器充电电流Cgd充电。此时,栅极和源级间电压不再升高,达到米勒平台(米勒平台是给予的Cgd充电过程),米勒平台首先想到的麻烦是米勒振荡。(即,栅极先给Cgs到达某个平台后充电Cgd充电)。

由于此时源级和漏级间电压变化迅速,内部电容充放电相应迅速,这些电流脉冲会导致mos寄生电感具有很大的感应阻力。有电容、电感和电阻组成冲击电路(可形成两个电路),电流脉冲越强,冲击范围越大,所以最关键的问题是如何过渡米勒平台。

Gs极加电容,减慢mos有助于减少米勒的振荡。mos管烧毁。

充电过快会导致米勒剧烈震荡,但充电过慢会延长开关,增加开关损耗。Mos开启过程源级和漏级间等效电阻相当于导通内阻,从无限大电阻到小电阻(导通内阻一般低压)mos只有几毫欧姆)一个转换过程。

比如一个mos最大电流100a,电池电压96v,在开通过程中,有一瞬间(刚进入米勒平台时)mos发热功率是P=V*I(此时电流已达到最大,负载尚未运行,所有功率降落在MOS管上),P=96*100=9600w!这时它发热功率最大,然后发热功率迅速降低直到完全导通时功率变成100*100*0.003=30w假设这个mos导通内阻3毫欧姆),开关过程中的发热功率变化惊人。

如果打开时间慢,说明发烧从9600开始w到30w过渡的慢,mos结温会严重升高。因此,开关越慢,结温越高,容易燃烧mos。为了不烧mos,只能降低mos限流或降低电池电压。例如,限制50a或者电压下降半成488v,这样,开关的发热损耗也减少了一半,不烧管道。

这也是高压控容易烧管子原因,高压控制器和低压的只有开关损耗不一样(开关损耗和电池端电压基本成正比,假设限流一样),导通损耗完全受mos内阻决定与电池电压无关。

其实整个mos开启过程非常复杂。变量太多。简而言之,米勒不容易振动,但开关损耗大,管道加热大,理论上开关损耗低(只要能有效抑制米勒振动)。但往往米勒震荡严重(如果米勒震荡严重,可能会在米勒平台烧管),但开关损耗大,上臂大mos更有可能引起下臂震荡mos误导,形成上下臂短路。

所以这个很考验设计师的驱动电路布线和主回路布线技能。最终就是找个平衡点(一般开通过程不超过1us)。开启损耗最简单,只和导通电阻成正比,想找大电流、低损耗、低内阻的。

▼ 下面介绍一下普通用户的实用点▼

Mos简要说明所选重要参数datasheet举例说明:

栅极电荷;Qgs, Qgd:

Qgs:

指栅极从0v当充电到相应的电流米勒平台时,总是充电(实际电流不同,平台高度不同,电流越大,平台越高,值越大)。这个阶段是给的Cgs充电(也相当于Ciss,输入电容)。

Qgd:

指整个米勒平台的总充电电荷(这叫米勒电荷)。给出这个过程Cgd(Crss,随着这个电容gd不同电压的快速变化)充电。

下面是型号stp75nf75:

我们普通75管Qgs是27nc,Qgd是47nc。结合其充电曲线。

进入平台前给Cgs充电,总电荷Qgs 27nc,平台米勒电荷Qgd 47nc。

在开关过冲中,mos主要加热区间为粗红标记阶段。Vgs开始超过阈值电压,到米勒平台结束是主要的加热范围。米勒平台结束后mos此时损失基本完全打开,基本导通损失(mos内阻越低损耗越低)。

阈值电压前,mos没有打开,几乎没有损失(只有漏电流造成的一点损失)。其中,红色拐角损失最大(Qgs充电即将结束,在米勒平台和刚进入米勒平台的过程中,发热功率最大(粗线表示)。

因此,在一定的充电电流下,红色标记区间总电荷小的管道会很快通过,因此加热区间短,总热量低。因此,理论上的选择Qgs和Qgd小的mos管道能快速穿过开关区。

导通内阻:Rds(on);在某些情况下,这种耐压性越低越好。但不同厂家标的内阻条件不同。内阻测量值因条件而异。温度越高,内阻越大(这是硅半导体材料)mos不能改变制造工艺的特点,可以稍微改进)。因此,大电流内阻会增加(大电流下结温会显著升高),小电流或脉冲电流会降低内阻(因为结温没有显著升高,没有热积累)。

有些管道称为典型内阻,与您使用的小电流几乎相同,而有些管道的小电流远低于典型内阻(因为其标准是大电流)。当然,这里也有制造商标记不严格的问题,不要完全相信。

所以选择标准是-寻找Qgs和Qgd小的mos管道同时符合低内阻mos管。

来自|张飞电子|芯片之家

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