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當(dāng)前位置:首頁 > 電源 > 電源系統(tǒng)設(shè)計
[導(dǎo)讀]作者:張飛電子實戰(zhàn) mos在控制器電路中的工作狀態(tài):開通過程(由截止到導(dǎo)通的過渡過程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程(由導(dǎo)通到截止的過渡過程)、截止?fàn)顟B(tài)。 Mos主要損耗也對應(yīng)這幾個狀態(tài),開關(guān)損耗(開通過程和關(guān)斷過程),導(dǎo)通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個

作者:張飛電子實戰(zhàn)


mos在控制器電路中的工作狀態(tài):開通過程(由截止到導(dǎo)通的過渡過程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程(由導(dǎo)通到截止的過渡過程)、截止?fàn)顟B(tài)。

Mos主要損耗也對應(yīng)這幾個狀態(tài),開關(guān)損耗(開通過程和關(guān)斷過程),導(dǎo)通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個忽略不計),還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在mos承受規(guī)格之內(nèi),mos即會正常工作,超出承受范圍,即發(fā)生損壞。而開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗,不同mos這個差距可能很大。

Mos損壞主要原因:

過流----------持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過高而燒毀;
過壓----------源漏過壓擊穿、源柵極過壓擊穿;
靜電----------靜電擊穿,CMOS電路都怕靜電;


Mos開關(guān)原理(簡要):Mos是電壓驅(qū)動型器件,只要柵極和源級間給一個適當(dāng)電壓,源級和漏級間通路就形成。這個電流通路的電阻被成為mos內(nèi)阻,就是導(dǎo)通電阻<Rds(on)>。這個內(nèi)阻大小基本決定了mos芯片能承受的最大導(dǎo)通電流(當(dāng)然和其它因素有關(guān),最有關(guān)的是熱阻),內(nèi)阻越小承受電流越大(因為發(fā)熱?。?/span>
Mos問題遠沒這么簡單,麻煩在它的柵極和源級間,源級和漏級間,柵極和漏級間內(nèi)部都有等效電容。所以給柵極電壓的過程就是給電容充電的過程(電容電壓不能突變),所以mos源級和漏級間由截止到導(dǎo)通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。

然而,這三個等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系,它們相互影響,并不是獨立的,如果獨立的就很簡單了。

其中一個關(guān)鍵電容就是柵極和漏級間的電容Cgd,這個電容業(yè)界稱為米勒電容。這個電容不是恒定的,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充電達到一個平臺后,柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電。這時柵極和源級間電壓不再升高,達到一個平臺,這個是米勒平臺(米勒平臺就是給Cgd充電的過程),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)。

因為這個時候源級和漏級間電壓迅速變化,內(nèi)部電容相應(yīng)迅速充放電,這些電流脈沖會導(dǎo)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)鍵的問題就是這個米勒平臺如何過渡。

Gs極加電容,減慢mos管導(dǎo)通時間,有助于減小米勒振蕩。防止mos管燒毀。

過快的充電會導(dǎo)致激烈的米勒震蕩,但過慢的充電雖減小了震蕩,但會延長開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。Mos開通過程源級和漏級間等效電阻相當(dāng)于從無窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻(導(dǎo)通內(nèi)阻一般低壓mos只有幾毫歐姆)的一個轉(zhuǎn)變過程。

比如一個mos最大電流100a,電池電壓96v,在開通過程中,有那么一瞬間(剛進入米勒平臺時)mos發(fā)熱功率是P=V*I(此時電流已達最大,負載尚未跑起來,所有的功率都降落在MOS管上),P=96*100=9600w!這時它發(fā)熱功率最大,然后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時功率變成100*100*0.003=30w(這里假設(shè)這個mos導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆),開關(guān)過程中這個發(fā)熱功率變化是驚人的。

如果開通時間慢,意味著發(fā)熱從9600w到30w過渡的慢,mos結(jié)溫會升高的厲害。所以開關(guān)越慢,結(jié)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關(guān)損耗不一樣(開關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比,假設(shè)限流一樣),導(dǎo)通損耗完全受mos內(nèi)阻決定,和電池電壓沒任何關(guān)系。

其實整個mos開通過程非常復(fù)雜。里面變量太多??傊褪情_關(guān)慢不容易米勒震蕩,但開關(guān)損耗大,管子發(fā)熱大,開關(guān)速度快理論上開關(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(如果米勒震蕩很嚴重,可能在米勒平臺就燒管子了),反而開關(guān)損耗也大,并且上臂mos震蕩更有可能引起下臂mos誤導(dǎo)通,形成上下臂短路。

所以這個很考驗設(shè)計師的驅(qū)動電路布線和主回路布線技能。最終就是找個平衡點(一般開通過程不超過1us)。開通損耗這個最簡單,只和導(dǎo)通電阻成正比,想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

▼ 下面介紹下對普通用戶實用點的▼

Mos挑選的重要參數(shù)簡要說明,以datasheet舉例說明:
柵極電荷;Qgs, Qgd:

Qgs:
指的是柵極從0v充電到對應(yīng)電流米勒平臺時總充入電荷(實際電流不同,這個平臺高度不同,電流越大,平臺越高,這個值越大)。這個階段是給Cgs充電(也相當(dāng)于Ciss,輸入電容)。

Qgd:
指的是整個米勒平臺的總充電電荷(在這稱為米勒電荷)。這個過程給Cgd(Crss,這個電容隨著gd電壓不同迅速變化)充電。

下面是型號stp75nf75:

我們普通75管Qgs是27nc,Qgd是47nc。結(jié)合它的充電曲線。
進入平臺前給Cgs充電,總電荷Qgs 27nc,平臺米勒電荷Qgd 47nc。

而在開關(guān)過沖中,mos主要發(fā)熱區(qū)間是粗紅色標(biāo)注的階段。從Vgs開始超過閾值電壓,到米勒平臺結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。其中米勒平臺結(jié)束后mos基本完全打開這時損耗是基本導(dǎo)通損耗(mos內(nèi)阻越低損耗越低)。

閾值電壓前,mos沒有打開,幾乎沒損耗(只有漏電流引起的一點損耗)。其中又以紅色拐彎地方損耗最大(Qgs充電將近結(jié)束,快到米勒平臺和剛進入米勒平臺這個過程發(fā)熱功率最大(更粗線表示)。

所以一定充電電流下,紅色標(biāo)注區(qū)間總電荷小的管子會很快度過,這樣發(fā)熱區(qū)間時間就短,總發(fā)熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的mos管能快速度過開關(guān)區(qū)。

導(dǎo)通內(nèi)阻:Rds(on);這個耐壓一定情況下是越低越好。不過不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測試條件的。測試條件不同,內(nèi)阻測量值會不一樣。同一管子,溫度越高內(nèi)阻越大(這是硅半導(dǎo)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(nèi)阻會增大(大電流下結(jié)溫會顯著升高),小電流或脈沖電流測試,內(nèi)阻降低(因為結(jié)溫沒有大幅升高,沒熱積累)。

有的管子標(biāo)稱典型內(nèi)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(biāo)稱典型內(nèi)阻低很多(因為它的測試標(biāo)準(zhǔn)是大電流)。當(dāng)然這里也有廠家標(biāo)注不嚴格問題,不要完全相信。

所以選擇標(biāo)準(zhǔn)是------------找Qgs和Qgd小的mos管,并同時符合低內(nèi)阻的mos管。


-END-


終于明白:什么是PWM“死區(qū)”!
二極管為什么單向?qū)щ??這篇文章終于說明白了
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電源系統(tǒng)設(shè)計

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