你的MOSFET為什么發熱那么嚴重?

模擬技術   作者:西南儀器團隊 時間:2022-04-14來源:ZLG致遠電子

在開關電源電路中,MOSFET作為最核心的器件,卻也是最容易發熱燒毀的,那么MOSFET到底承受了什么導致發熱呢?本文來帶你具體分析。

MOSFET工作原理

什么是MOSFET?MOSFET是全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,即金屬氧化物半導體場效應晶體管的半導體。

它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型通常稱P溝道型。如圖1所示,對于N溝道型的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P溝道的場效應管,如圖2所示,其源極和漏極則接在P型半導體上。無論N型或者P型MOS管,其工作原理是一樣的,都是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流 (或稱輸入回路的電場效應),故可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。

當MOSFET處于工作狀態時,MOSFET截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏,漏源極之間無電流流過。導電:在柵源極間加正電壓UGS,柵極是絕緣的,所以不會有柵極電流流過。

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圖1 N溝道型MOSFET

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圖2 P溝道型MOSFET

MOSFET發熱影響因素

MOS管的數據手冊中通常有以下參數:導通阻抗RDS(ON),柵極(或驅動)電壓 VGS 以及流經開關的電流漏源極電流ID,RDS(ON)與柵極(或驅動) 電壓VGS 以及流經開關的電流有關,但對于充分的柵極驅動,RDS(ON)是一個相對靜態參數。一直處于導通的MOS管很容易發熱。除此之外,慢慢升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。隨著RDS的增加,導致功率管的損耗增加,從而導致發熱現象,這也是MOSFET發熱的根本原因。

那么總結導致發熱的主要因素主要有以下幾點:

● 電路設計問題,MOS管工作在線性的工作狀態,而不是在開關狀態,MOS管導通過程時間過長導致,如圖3所示為開關管導通過程。例如:讓N-MOS做開關,G級電壓就要比電源高幾V才能完全導通,而P-MOS則相反。沒有完全導通,由于等效直流阻抗較大,所以壓降增大,Vds*Id也增大,從而造成損耗過大導致發熱。

● 功率管的驅動頻率太高,頻率與導通損耗也成正比,所以功率管發熱時,首先要想想是不是頻率選擇的有點高。主要是有時過分追求體積,導致頻率提高,MOS管上的損耗增大。

● 功率管選型不當,導通阻抗(RDS(ON))確實是最為關鍵品質因數,然而開關損耗與功率管的cgd和cgs也有關,大部分工程師會優先選用低導通電阻的MOS管,然而內阻越小,cgs和cgd電容越大,所以選擇功率管時夠用就行,不能選擇太小的內阻。

● 通過漏極和源極的導通電流ID過大,造成這樣的原因主要是沒有做好足夠的散熱設計,MOS管標稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流,也可能發熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片。

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圖3 開關管導通過程

如何測試功率損耗?

為了解決MOS管發熱問題,要準確判斷是否是以上幾種原因造成,更重要的是對開關管功率損耗進行正確的測試,才能發現問題所在,從而找對改善的關鍵點。那么我們可以通過示波器來觀看開關管波形,來判斷驅動頻率是否過高,以及測試G極驅動電壓的大小、通過漏源極的Id電流大小等,并直接測試出開關管的功率損耗。

MOS管工作狀態有四種,開通過程、導通狀態、關斷過程,截止狀態。

MOS管主要損耗:開關損耗,導通損耗,截止損耗,還有能量損耗,開關損耗往往大于后者,小部分能量體現在“導通狀態”,而“關閉狀態”的損耗很小幾乎為0,可以忽略不計。具體使用下面公式計算:

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

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圖4 MOS管工作全過程

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圖5 MOSFET導通功耗波形

通過示波器的電源測試軟件中的開關損耗測試功能,可得到以下開關管的功率損耗測試結果,如圖6。通過結果我們可以判斷開關管的具體通斷波形以及電壓、電流值,并得到整個開關過程中開啟、關閉過程以及導通部分的損耗,從而可以判斷出有問題的部分,進行排查改善。

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圖6 開關管波形實際測試圖

致遠電子ZDS5000示波器內部集成了電源測試軟件,可以直接對開關管的MOSFET進行全過程各個部分的功率損耗測試。對于某些開關元器件,開關周期損耗不盡相同,且開關管開通和關斷時間很短,如Boost-PFC,因此不能用通過測量一個開關周期(如80KHz)評估整體損耗。ZDS5000系列示波器有512M的存儲深度,可以對PFC等高速功率管進行高采樣率的半波分析,因此能夠測量的更準確,如圖7所示。

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圖7 PFC半周波測試

關鍵詞: MOSFET ZLG

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