如何避免MOS管過(guò)熱燒毀？實(shí)用措施-KIA MOS管

MOS管在控制器電路中的工作狀態(tài)：開(kāi)通過(guò)程（由截止到導(dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程）、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程（由導(dǎo)通到截止的過(guò)渡過(guò)程）、截止?fàn)顟B(tài)。MOS管主要損耗也對(duì)應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài)。

MOS管主要損耗：開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)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管承受規(guī)格之內(nèi)，MOS管即會(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(dǎo)通狀態(tài)損耗（不同MOS管這個(gè)差距可能很大）。

MOS管損壞主要原因：

過(guò)流--持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)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管電路都怕靜電；

MOS管簡(jiǎn)要開(kāi)關(guān)原理：MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，只要柵極和源級(jí)間給一個(gè)適當(dāng)電壓，源級(jí)和漏級(jí)間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS管內(nèi)阻，就是導(dǎo)通電阻<Rds(on)>。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了MOS管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?。?。

MOS管問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵極和源級(jí)間，源級(jí)和漏級(jí)間，柵極和漏級(jí)間內(nèi)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管源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)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(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(jiǎn)單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級(jí)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(jí)間電壓變化而迅速變化。這個(gè)米勒電容是柵極和源級(jí)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(tái)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(jí)間電壓不再升高，達(dá)到一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)是米勒平臺(tái)（米勒平臺(tái)就是給Cgd充電的過(guò)程），米勒平臺(tái)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(tái)后再給Cgd充電）

因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)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(huì)導(dǎo)致MOS管寄生電感產(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(wèn)題就是這個(gè)米勒平臺(tái)如何過(guò)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(guò)快的充電會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)開(kāi)關(guān)從而增加開(kāi)關(guān)損耗。MOS管開(kāi)通過(guò)程源級(jí)和漏級(jí)間等效電阻相當(dāng)于從無(wú)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管只有幾毫歐姆）的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程。

比如一個(gè)MOS管最大電流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(tái)時(shí)）MOS管發(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(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(dǎo)通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（這里假設(shè)這個(gè)MOS管導(dǎo)通內(nèi)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，意味著發(fā)熱從9600w到30w過(guò)渡的慢，MOS管結(jié)溫會(huì)升高的厲害。所以開(kāi)關(guān)越慢，結(jié)溫越高，容易燒MOS管。為了不燒MOS管，只能降低MOS管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(shè)限流一樣），導(dǎo)通損耗完全受MOS管內(nèi)阻決定，和電池電壓沒(méi)任何關(guān)系。

其實(shí)整個(gè)MOS管開(kāi)通過(guò)程非常復(fù)雜。里面變量太多?？傊褪情_(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)?yán)重，可能在米勒平臺(tái)就燒管子了），反而開(kāi)關(guān)損耗也大，并且上臂MOS管震蕩更有可能引起下臂MOS管誤導(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(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(dǎo)通電阻成正比，想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

實(shí)用措施介紹

MOS管挑選的重要參數(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明。以datasheet舉例說(shuō)明。

Qgs:指的是柵極從0v充電到對(duì)應(yīng)電流米勒平臺(tái)時(shí)總充入電荷（實(shí)際電流不同，這個(gè)平臺(tái)高度不同，電流越大，平臺(tái)越高，這個(gè)值越大）。這個(gè)階段是給Cgs充電（也相當(dāng)于Ciss，輸入電容）。

Qgd:指的是整個(gè)米勒平臺(tái)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gd電壓不同迅速變化）充電。

stp75nf75型號(hào)，普通75管Qgs是27nc，Qgd是47nc。結(jié)合充電曲線。

進(jìn)入平臺(tái)前給Cgs充電，總電荷Qgs 27nc，平臺(tái)米勒電荷Qgd 47nc。而在開(kāi)關(guān)過(guò)沖中，MOS管主要發(fā)熱區(qū)間是粗紅色標(biāo)注的階段。從Vgs開(kāi)始超過(guò)閾值電壓，到米勒平臺(tái)結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。

其中米勒平臺(tái)結(jié)束后MOS管基本完全打開(kāi)這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗（MOS管內(nèi)阻越低損耗越低）。閾值電壓前，MOS管沒(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(jié)束，快到米勒平臺(tái)和剛進(jìn)入米勒平臺(tái)這個(gè)過(guò)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(huì)很快度過(guò)，這樣發(fā)熱區(qū)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(qū)。

導(dǎo)通內(nèi)阻。Rds（on）。這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過(guò)不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測(cè)試條件的。測(cè)試條件不同，內(nèi)阻測(cè)量值會(huì)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管制造工藝的特性，改變不了，能稍改善）。所以大電流測(cè)試內(nèi)阻會(huì)增大（大電流下結(jié)溫會(huì)顯著升高），小電流或脈沖電流測(cè)試，內(nèi)阻降低（因?yàn)榻Y(jié)溫沒(méi)有大幅升高，沒(méi)熱積累）。

有的管子標(biāo)稱(chēng)典型內(nèi)阻和你自己用小電流測(cè)試幾乎一樣，而有的管子自己小電流測(cè)試比標(biāo)稱(chēng)典型內(nèi)阻低很多（因?yàn)樗臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是大電流）。當(dāng)然也有廠家標(biāo)注不嚴(yán)格問(wèn)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(shí)符合低內(nèi)阻的MOS管。

KIA半導(dǎo)體是一家致力于功率半導(dǎo)體電子元器件研發(fā)與銷(xiāo)售的高新技術(shù)型企業(yè)，竭誠(chéng)服務(wù)全球開(kāi)關(guān)電源、綠色照明、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車(chē)電子、新能源充電樁、太陽(yáng)能設(shè)備、數(shù)碼家電、安防工程等行業(yè)長(zhǎng)期合作伙伴，主動(dòng)了解客戶需求，不斷研發(fā)創(chuàng)新，為客戶提供綠色、節(jié)能、高效的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。

MOS管發(fā)熱燒管