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开关电源中功率MOS管米勒效应介绍

发布日期:2020-04-13 浏览:924


开关电源中功率MOS管米勒效应介绍

 

合芯半导体针对开关电源中MOS管在开关状态下的米勒效应做给简要的介绍给大家,方便大家对MOS管(MOSFET)在开关电源中的选择作帮助,同时能说明开关电源使用中功率器件MOS管(MOSFET)烧管的多数原因,客户在使用过程和电路设计过程把握住MOS管的关键参数。

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MOSFET开关电源电路中的四个工作状态:开通过程(由截止到导通的过程)、导通状态、关断过程(由导通到截止的过程)、截止状态。

MOSFET主要损耗也主要在这几个状态过程,开关损耗(开通过程和关断过程),导通损耗,截止损耗(漏电流引起的,这个可以忽略),还有雪崩能量损耗。一定要把这些损耗控制在mos承受范围内,mos会正常工作不会有异常甚至烧管,超出这个范围,容易发生损坏。在这几个状态中开关损耗往往大于导通状态损耗(不同mos这个有差异。)

 

MOS损坏主要原因:

过流----------持续大电流或瞬间超大电流引起的结温过高而烧毁;

过压----------源漏过压击穿、源栅极过压击穿;

静电----------静电击穿。CMOS电路都怕静电;

 

MOS管简要开关原理。MOS是电压驱动型器件,只要栅源极间给一个适当电压大于Vth,源和漏间通路就形成。这个电流通路的电阻被mos导通内阻,指我们常说的导通电阻Rds(on)。这个内阻大小基本决定了mos芯片能承受的最大导通电流(和其它因素有关,最重要的是热阻)。内阻越小MOS承受电流越大发热小。

 

MOS使用问题远没这么简单,麻烦在它的栅源间,源漏间,栅漏间内部有等效电容这就要我们要关心MOSQgs, Qgd这两个参数。使用过程中给栅电压的过程同时栅源极电容充电的过程(电容电压不能突变),所以MOS和漏间由截止到导通的开通过程受栅极电容的充电过程影响

 

然而,MOS管中栅源极、栅漏极、源漏极三个等效电容是串并联组合关系,它们相互影响,如果独立的就很简单了。其中一个关键电容就是栅漏间的电容Cgd,这个电容称为米勒电容。这个电容是变化的,随栅极和漏级间电压变化。米勒电容阻碍栅极和源级电容充电,因为栅极给栅-源电容Cgs充电达到一个节点后,栅极的充电电流必须给米勒电容Cgd充电,这时栅极和源级间电压不再升高,达到一个平台,这个是米勒平台(米勒平台就是给Cgd充电的过程),米勒平台带来的影响就是米勒振荡。(栅极先给Cgs充电,到达一定平台后再给Cgd充电)这个时候源级和漏级间电压迅速变化,内部电容相应速充放电,这些电流脉冲会导致MOS寄生电感产生感抗,这里面就有电容,电感,电阻组成震荡电路(形成2个回路),并且电流脉冲越强频率越高震荡幅度越大,因此关键的问题是米勒平台如何过渡。

 

栅源加电容或者减慢MOS管导通时间,有助于减小米勒振荡防止mos不良。过快的充电会导致激烈的米勒震荡,然而过慢的充电虽减小了震荡,但会延长开关时间从而增加开关损耗。MOS开通过程源漏间等效电阻相当于从无穷大电阻到阻值很小的导通内阻的一个转变过程,我们知道有的MOS管导通电阻小至几毫欧,如此大的变化要MOS管安全稳定工作我们在设计中要设计好参数。比如MOS最大电流100A,电池电压48V,在开通过程中,有那么一瞬间(刚进入米勒平台时)MOS发热功率是P=V*I(此时电流已达最大,所有的功率都降落在MOS管上)P=48*100=4800w这时它发热功率最大,随后发热功率迅速降低直到完全导通时功率变成100*100*0.003=30w(假设这个MOS导通内阻3毫欧)。可以看出MOS开关过程中发热功率变化是惊人的。但是开通时间慢,意味着发热从4800w30w过渡的慢,MOS管在这个过程中结温会升高同样发热厉害。所以开关时间越慢,结温越高,同样容易烧MOS。为了降低MOS管不良,只能降低MOS管使用电流流或者降低电池电压,比如电流降低到50A或电压降低一半成24V,这样开关发热损耗也降低了一半。这也是高压容易烧管子原因,高压控制和低压控制只有开关损耗不一样(开关损耗和电池端电压基本成正比,假设限流一样),导通期间损耗完全受MOS管的内阻决定,和电池电压没任何关系。

其实MOS管导通过程更加复杂里面变量多。简单言之就是开关慢不容易米勒震荡,但开关损耗大,管子发热大,开关速度快理论上开关损耗低(只要能有效抑制米勒震荡),但是往往米勒震荡很厉害(如果米勒震荡很严重,可能在米勒平台就烧管子了),反而开关损耗也大。设计师的驱动电路布线和主回路布线技能决定了MOS管的正常使用,目的就是找个平衡点(一般开通过程不超过1us)。开通损耗简单,只和导通电阻成正比,想大电流低损耗找内阻低的。

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下面对MOS挑选的重要参数简要说明

合芯半导体封装的75N80低压MOS管的datasheet举例说明。

栅极电荷Qgs, Qgd

Qgs:指的是栅极从0v充电到对应电流米勒平台时总充入电荷(实际电流不同,这个平台高度不同,电流越大,平台越高,这个值越大)。这个阶段是给Cgs充电(也相当于Ciss,输入电容)。

Qgd:指的是整个米勒平台的总充电电荷(在这称为米勒电荷)。这个过程给CgdCrss,这个电容随着栅漏极电压不同迅速变化)充电。

合芯半导体的MOS75N80Qgs27ncQgd47nc。结合它的充电曲线。

进入平台前给Cgs充电,总电荷Qgs 20nc,平台米勒电荷Qgd 30nc

开关电源中MOS管开关中,从Vgs开始超过阈值电压VTH,到米勒平台结束是主要发热区间。其中米勒平台结束后MOS基本完全打开这时损耗是基本导通损耗(MOS内阻越低损耗越低)。阈值电压前,MOS没有打开,只有漏电流引起的一点损耗。Qgs充电将近结束,快到米勒平台和刚进入米勒平台这个过程发热功率最大。

所以一定充电电流下,总电荷小的管子会很快度过发热区,这样发热区间时间就短,总发热量就低。所以理论上选择QgsQgd小的mos管能快速度过开关区。

导通内阻。Rdson)。这个耐压一定情况下是越低越好。不过不同厂家标的内阻是有不同测试条件的。测试条件不同,内阻测量值会不一样。同一管子,温度越高内阻越大(这是硅半导体材料在mos制造工艺的特性,很难改善)。所以大电流测试内阻会增大(大电流下结温会显著升高),小电流或脉冲电流测试,内阻降低

所以我们在参数选择------------QgsQgd小的mos管,并同时符合低内阻的mos管。

 

合芯半导体欢迎客户来电来函咨询洽谈MOS管、三极管、可控硅、肖特基二极管等功率器件,期待与你的合作。

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