MOS在控制器電路中的工作狀態(tài):開通過(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主要損耗也對(duì)應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài):開關(guān)損耗(開通過(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承受規(guī)格之內(nèi),MOS即會(huì)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損壞原因 ?
MOS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電路都怕靜電。
MOS開關(guān)原理 ?
MOS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)。</rds(on)>
防止MOS燒毀 ?
MOS問題遠(yuǎn)沒這么簡(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),而MOS源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)通的開通過(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)頻率越高振蕩幅度越大,所以最關(guān)鍵的問題就是這個(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)致激烈的米勒振蕩,但過(guò)慢的充電雖減小了振蕩,但會(huì)延長(zhǎng)開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。MOS開通過(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只有幾毫歐姆)的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程。
比如一個(gè)MOS最大電流100a,電池電壓96v,在開通過(guò)程中,有那么一瞬間(剛進(jìn)入米勒平臺(tái)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(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導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆),開關(guān)過(guò)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(guò)渡的慢,MOS結(jié)溫會(huì)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(guò)程非常復(fù)雜。里面變量太多。總之就是開關(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(tái)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(guò)程不超過(guò)1us)。開通損耗這個(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。