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你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?

發(fā)布時(shí)間:2021-09-04 來源:西南儀器團(tuán)隊(duì) 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在開關(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,漏源極之間無電流流過。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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖1 N溝道型MOSFET
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
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)問題,MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開關(guān)狀態(tài),MOS管導(dǎo)通過程時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致,如圖3所示為開關(guān)管導(dǎo)通過程。例如:讓N-MOS做開關(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。
 
●    通過漏極和源極的導(dǎo)通電流ID過大,造成這樣的原因主要是沒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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖3 開關(guān)管導(dǎo)通過程
 
如何測(cè)試功率損耗?
 
為了解決MOS管發(fā)熱問題,要準(zhǔn)確判斷是否是以上幾種原因造成,更重要的是對(duì)開關(guān)管功率損耗進(jìn)行正確的測(cè)試,才能發(fā)現(xiàn)問題所在,從而找對(duì)改善的關(guān)鍵點(diǎn)。那么我們可以通過示波器來觀看開關(guān)管波形,來判斷驅(qū)動(dòng)頻率是否過高,以及測(cè)試G極驅(qū)動(dòng)電壓的大小、通過漏源極的Id電流大小等,并直接測(cè)試出開關(guān)管的功率損耗。
 
MOS管工作狀態(tài)有四種,開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程,截止?fàn)顟B(tài)。
 
MOS管主要損耗:開關(guān)損耗,導(dǎo)通損耗,截止損耗,還有能量損耗,開關(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:
 
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖4 MOS管工作全過程
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖5 MOSFET導(dǎo)通功耗波形
 
通過示波器的電源測(cè)試軟件中的開關(guān)損耗測(cè)試功能,可得到以下開關(guān)管的功率損耗測(cè)試結(jié)果,如圖6。通過結(jié)果我們可以判斷開關(guān)管的具體通斷波形以及電壓、電流值,并得到整個(gè)開關(guān)過程中開啟、關(guān)閉過程以及導(dǎo)通部分的損耗,從而可以判斷出有問題的部分,進(jìn)行排查改善。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖6 開關(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)開關(guān)管的MOSFET進(jìn)行全過程各個(gè)部分的功率損耗測(cè)試。對(duì)于某些開關(guān)元器件,開關(guān)周期損耗不盡相同,且開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)間很短,如Boost-PFC,因此不能用通過測(cè)量一個(gè)開關(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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴(yán)重?
圖7 PFC半周波測(cè)試
 
 
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