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你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?

發(fā)布時間:2021-09-04 來源:西南儀器團隊 責任編輯:wenwei

【導讀】在開關電源電路中,MOSFET作為最核心的器件,卻也是最容易發(fā)熱燒毀的,那么MOSFET到底承受了什么導致發(fā)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(tài)時,MOSFET截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖1 N溝道型MOSFET
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖2 P溝道型MOSFET
 
MOSFET發(fā)熱影響因素
 
MOS管的數(shù)據(jù)手冊中通常有以下參數(shù):導通阻抗RDS(ON),柵極(或驅(qū)動)電壓 VGS 以及流經(jīng)開關的電流漏源極電流ID,RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動) 電壓VGS 以及流經(jīng)開關的電流有關,但對于充分的柵極驅(qū)動,RDS(ON)是一個相對靜態(tài)參數(shù)。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)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(fā)熱現(xiàn)象,這也是MOSFET發(fā)熱的根本原因。
 
那么總結導致發(fā)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(tài),而不是在開關狀態(tài),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(fā)熱。
 
●    功率管的驅(qū)動頻率太高,頻率與導通損耗也成正比,所以功率管發(fā)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(zhì)因數(shù),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(yōu)先選用低導通電阻的MOS管,然而內(nèi)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(nèi)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(fā)熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖3 開關管導通過程
 
如何測試功率損耗?
 
為了解決MOS管發(fā)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(fā)現(xiàn)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(qū)動頻率是否過高,以及測試G極驅(qū)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(tài)有四種,開通過程、導通狀態(tài)、關斷過程,截止狀態(tài)。
 
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(xiàn)在“導通狀態(tài)”,而“關閉狀態(tài)”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:
 
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖4 MOS管工作全過程
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖6 開關管波形實際測試圖
 
致遠電子ZDS5000示波器內(nèi)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。
 
你的MOSFET為什么發(fā)熱那么嚴重?
圖7 PFC半周波測試
 
 
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