你的MOSFET为什么发热那么严重?

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​​在开关电源电路中,MOSFET作为最核心的器件,却也是最容易发热烧毁的,那么MOSFET到底承受了什么导致发热呢?本文来带你具体分析。

MOSFET工作原理
什么是MOSFET?MOSFET是全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,即金属氧化物半导体场效应晶体管的半导体。

它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型,PNP型通常称P沟道型。如图1所示,对于N沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的场效应管,如图2所示,其源极和漏极则接在P型半导体上。无论N型或者P型MOS管,其工作原理是一样的,都是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流 (或称输入回路的电场效应),故可以认为输入电流极小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。

当MOSFET处于工作状态时,MOSFET截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。导电:在栅源极间加正电压UGS,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。

N沟道型MOSFET

图1 N沟道型MOSFET

P沟道型MOSFET

图2 P沟道型MOSFET

MOSFET发热影响因素
MOS管的数据手册中通常有以下参数:导通阻抗RDS(ON),栅极(或驱动)电压 VGS 以及流经开关的电流漏源极电流ID,RDS(ON)与栅极(或驱动) 电压VGS 以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。除此之外,慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。随着RDS的增加,导致功率管的损耗增加,从而导致发热现象,这也是MOSFET发热的根本原因。

那么总结导致发热的主要因素主要有以下几点:

电路设计问题,MOS管工作在线性的工作状态,而不是在开关状态,MOS管导通过程时间过长导致,如图3所示为开关管导通过程。例如:让N-MOS做开关,G级电压就要比电源高几V才能完全导通,而P-MOS则相反。没有完全导通,由于等效直流阻抗较大,所以压降增大,Vds*Id也增大,从而造成损耗过大导致发热。

功率管的驱动频率太高,频率与导通损耗也成正比,所以功率管发热时,首先要想想是不是频率选择的有点高。主要是有时过分追求体积,导致频率提高,MOS管上的损耗增大。
功率管选型不当,导通阻抗(RDS(ON))确实是最为关键品质因数,然而开关损耗与功率管的cgd和cgs也有关,大部分工程师会优先选用低导通电阻的MOS管,然而内阻越小,cgs和cgd电容越大,所以选择功率管时够用就行,不能选择太小的内阻。

通过漏极和源极的导通电流ID过大,造成这样的原因主要是没有做好足够的散热设计,MOS管标称的电流值,一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流,也可能发热严重,需要足够的辅助散热片。

开关管导通过程
图3 开关管导通过程

如何测试功率损耗?
为了解决MOS管发热问题,要准确判断是否是以上几种原因造成,更重要的是对开关管功率损耗进行正确的测试,才能发现问题所在,从而找对改善的关键点。那么我们可以通过示波器来观看开关管波形,来判断驱动频率是否过高,以及测试G极驱动电压的大小、通过漏源极的Id电流大小等,并直接测试出开关管的功率损耗。

MOS管工作状态有四种,开通过程、导通状态、关断过程,截止状态。

MOS管主要损耗:开关损耗,导通损耗,截止损耗,还有能量损耗,开关损耗往往大于后者,小部分能量体现在“导通状态”,而“关闭状态”的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。具体使用下面公式计算:

Eswitch=Eon+Econd+Eoff=(Pon+Pcond+Poff)∙Ts

MOS管工作全过程

图4 MOS管工作全过程

MOSFET导通功耗波形

图5 MOSFET导通功耗波形

通过示波器的电源测试软件中的开关损耗测试功能,可得到以下开关管的功率损耗测试结果,如图6。通过结果我们可以判断开关管的具体通断波形以及电压、电流值,并得到整个开关过程中开启、关闭过程以及导通部分的损耗,从而可以判断出有问题的部分,进行排查改善。

开关管波形实际测试图

图6 开关管波形实际测试图

致远电子ZDS5000示波器内部集成了电源测试软件,可以直接对开关管的MOSFET进行全过程各个部分的功率损耗测试。对于某些开关元器件,开关周期损耗不尽相同,且开关管开通和关断时间很短,如Boost-PFC,因此不能用通过测量一个开关周期(如80KHz)评估整体损耗。ZDS5000系列示波器有512M的存储深度,可以对PFC等高速功率管进行高采样率的半波分析,因此能够测量的更准确,如图7所示。

PFC半周波测试

图7 PFC半周波测试

文章来源:ZLG致远电子 

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