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  • MOS管損壞的主要原因與解決方案
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-10-21 17:32:43
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    MOS管損壞的主要原因與解決方案
    MOS管
    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(gè)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(gè)忽略不計(jì)),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(gè)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(dòng)型器件,只要柵極和源級間給一個(gè)適當(dāng)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(nèi)阻,就是導(dǎo)通電阻。這個(gè)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?yàn)榘l(fā)熱小)。
    MOS 問題遠(yuǎn)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(gè)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(dú)立的,如果獨(dú)立的就很簡單了。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?yàn)闁艠O給柵 - 源電容 Cgs 充電達(dá)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(dá)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(dá)一定平臺后再給 Cgd 充電)
    因?yàn)檫@個(gè)時(shí)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(gè)回路),并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大。所以最關(guān)鍵的問題就是這個(gè)米勒平臺如何過渡。
    Gs 極加電容,減慢 MOS 管導(dǎo)通時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)變過程。
    比如一個(gè) 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(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(dá)最大,負(fù)載尚未跑起來,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(dǎo)通時(shí)功率變成 100*100*0.003=30w(這里假設(shè)這個(gè) MOS 導(dǎo)通內(nèi)阻 3 毫歐姆)。開關(guān)過程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。
    如果開通時(shí)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(shí)整個(gè) 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(yán)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(gè)很考驗(yàn)設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)電路布線和主回路布線技能。最終就是找個(gè)平衡點(diǎn)(一般開通過程不超過 1us)。開通損耗這個(gè)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。
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