大電流MOS管型號參數(shù)與應(yīng)用詳解-MOS管發(fā)熱分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-12-21
MOS管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
做電源設(shè)計，或者做驅(qū)動方面的電路，難免要用到MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅(qū)動的使用，當然就是用它的開關(guān)作用。
無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會發(fā)生像三極管做開關(guān)時的因基極電流引起的電荷存儲效應(yīng)，因此在開關(guān)應(yīng)用中，MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖：
MOS管的工作原理
在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路，如圖2漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。
NMOS管的開路漏極電路
在開關(guān)電源應(yīng)用方面，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當于一個導(dǎo)體。因此，我們電路或者電源設(shè)計人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗，對開關(guān)應(yīng)用來說，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動)電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，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(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結(jié)溫也會導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
其發(fā)熱情況有：
1.電路設(shè)計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計電路的最忌諱的錯誤。
2.頻率太高，主要是有時過分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。
3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計，電流太高，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。
4.MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。
由于功率MOSFET熱穩(wěn)定性好，故比雙極型晶體管并聯(lián)連接簡單。可是并聯(lián)連接MOSFET用于高速開關(guān)則末必簡單，從現(xiàn)象看并聯(lián)連接會發(fā)生以下兩個問題：
1） 電流會集中某一個器件中。
2 ） 寄生振蕩。
并聯(lián)連接方面的問題
參數(shù)
Lo：柵、導(dǎo)線電感
LD：漏、導(dǎo)線電感
LS：源、導(dǎo)線電感
Cmi：密勒電容
CGS：柵、源間電源
ra：柵、電阻（多晶硅）
（1）電流會集到某一個器件中
這是由于并聯(lián)連接的器件中的某一個器件早于或遲于其它器件導(dǎo)通或斷開而引起的。導(dǎo)通、斷開的時刻差異是由于器件間的閾值電壓和正向傳輸導(dǎo)納等參數(shù)的差別而引起。圖1表明把具有不同VGS（th）和 g.f .s 的功率MOSFET并聯(lián)銜接時發(fā)生電流不平衡的一個比如。
驅(qū)動級的輸出阻抗大的時候，電流不平衡的發(fā)生時刻由功率MOSFET的輸入電容Ciss而決議。另外，并聯(lián)連接的全部器件導(dǎo)通之后，流到各器件的電流與Rds（on）成反比 。
( 2 ） 寄生振蕩
如把功率MOSFET的柵極直接并聯(lián)銜接，就常常發(fā)生寄生振蕩。如圖2所示，經(jīng)過各個器件的漏、柵間電容（ 密勒電容 ）和柵極引線電感構(gòu)成諧振電路 。關(guān)于這個諧振電路的Q，也即電抗器 （ L 、C ） 對電阻之比 （Q = i∞/ R ） 非常大，簡單發(fā)生寄生振蕩。
從以下兩個方面采取辦法 ：
1)器材的挑選
2)裝置上的考慮
( 1） 把功率MOSFET用作開關(guān)器件時，無須過于慎重考慮，由于功率MOSFET的最大脈沖電流允許為直流額定值的 3-4倍，只需極力縮小驅(qū)動級的輸出阻抗就行．把功率MOSFET用在線性電路時，只挑選同一批產(chǎn)品是不行的 ，與雙極型晶體管一樣外加源電阻使之平衡是很有必要的．
( 2 ）裝置辦法
選用低電感布線是當然的，但在并聯(lián)連接中僅用銅板是不行的 ，由于因公共阻擾發(fā)生的 電壓使柵、源間電壓不能平衡，為了防止這點，并聯(lián)連接的各個器件應(yīng)是徹底持平的布線，應(yīng)如圖3那樣用對稱的布線 ，但因裝置上的約束，不行能用對稱布錢時，這時同軸的（多股絞合線、帶狀線 ） 布線也是很有用的。如圖4那樣，經(jīng)過薄的絕緣膜把銅板制成的漏和源的布線。
分別做成多層結(jié)構(gòu)，則由于布線發(fā)生電感的一起也發(fā)生電容 ，而構(gòu)成圖5的等效電路。由電感發(fā)生的電壓經(jīng)過電容傳輸使各個器材的柵 、源間電壓則變得持平。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻和耐壓有以下的聯(lián)系，即Rds（on）∞BVds2 .4-2.7所以在總芯片面積持平的情況下，如把幾個低壓MOSFET串聯(lián)連接 ，比1個高耐壓MOSFET的導(dǎo)通電阻低。圖1表明串聯(lián)連接個數(shù)和導(dǎo)通電阻下降率之間的聯(lián)系。從此圖中能夠看出 ，用串聯(lián)銜接比提高每個功率MOSFET的耐壓更有優(yōu)越性 。可是，隨著串聯(lián)連接MOSFET 的個數(shù)的添加，驅(qū)動電路變得復(fù)雜，從成本和裝置上考慮 ，2-5個MOSFET的串聯(lián)銜接較為適宜。
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