功率MOS管燒毀的原因(米勒效應(yīng))

mos在控制器電路中的工作狀態(tài)：開通過程（由截止到導(dǎo)通的過渡過程）、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程（由導(dǎo)通到截止的過渡過程）、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（開通過程和關(guān)斷過程），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損壞主要原因：

 

 

 

過流----------持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過高而燒毀；

 

過壓----------源漏過壓擊穿、源柵極過壓擊穿；

 

靜電----------靜電擊穿。CMOS電路都怕靜電

 

 

 

Mos開關(guān)原理（簡要）。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。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）。

 

 

 

 

 

Mos問題遠(yuǎn)沒這么簡單，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程就是給電容充電的過程（電容電壓不能突變），所以mos源級(jí)和漏級(jí)間由截止到導(dǎo)通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。

 

 

 

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)頻率越高震蕩幅度越大。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。

 

 

 

過快的充電會(huì)導(dǎo)致激烈的米勒震蕩，但過慢的充電雖減小了震蕩，但會(huì)延長開關(guān)從而增加開關(guān)損耗。Mos開通過程源級(jí)和漏級(jí)間等效電阻相當(dāng)于從無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)變過程。

 

 

 

比如一個(gè)mos最大電流100a，電池電壓96v，在開通過程中，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，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)（一般開通過程不超過1us）。開通損耗這個(gè)最簡單，只和導(dǎo)通電阻成正比，想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

 

 

 

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下面介紹下對(duì)普通用戶實(shí)用點(diǎn)的。

 

Mos挑選的重要參數(shù)簡要說明。以datasheet舉例說明。

 

 

 

柵極電荷。Qgs, Qgd

 

 

 

Qgs:指的是柵極從0v充電到對(duì)應(yīng)電流米勒平臺(tái)時(shí)總充入電荷（實(shí)際電流不同，這個(gè)平臺(tái)高度不同，電流越大，平臺(tái)越高，這個(gè)值越大）。這個(gè)階段是給Cgs充電（也相當(dāng)于Ciss，輸入電容）。

 

 

 

Qgd:指的是整個(gè)米勒平臺(tái)的總充電電荷（在這稱為米勒電荷）。這個(gè)過程給Cgd（Crss，這個(gè)電容隨著gd電壓不同迅速變化）充電。

 

 

 

下面是型號(hào)stp75nf75.

 

 

 

我們普通75管Qgs是27nc，Qgd是47nc。結(jié)合它的充電曲線。

 

進(jìn)入平臺(tái)前給Cgs充電，總電荷Qgs 27nc，平臺(tái)米勒電荷Qgd 47nc。

 

 

 

而在開關(guān)過沖中，mos主要發(fā)熱區(qū)間是粗紅色標(biāo)注的階段。從Vgs開始超過閾值電壓，到米勒平臺(tái)結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。其中米勒平臺(tái)結(jié)束后mos基本完全打開這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗（mos內(nèi)阻越低損耗越低）。

 

 

 

閾值電壓前，mos沒有打開，幾乎沒損耗（只有漏電流引起的一點(diǎn)損耗）。其中又以紅色拐彎地方損耗最大（Qgs充電將近結(jié)束，快到米勒平臺(tái)和剛進(jìn)入米勒平臺(tái)這個(gè)過程發(fā)熱功率最大（更粗線表示）。

 

 

 

所以一定充電電流下，紅色標(biāo)注區(qū)間總電荷小的管子會(huì)很快度過，這樣發(fā)熱區(qū)間時(shí)間就短，總發(fā)熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的mos管能快速度過開關(guān)區(qū)。

 

 

 

導(dǎo)通內(nèi)阻。Rds（on）。這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測試條件的。測試條件不同，內(nèi)阻測量值會(huì)不一樣。同一管子，溫度越高內(nèi)阻越大（這是硅半導(dǎo)體材料在mos制造工藝的特性，改變不了，能稍改善）。所以大電流測試內(nèi)阻會(huì)增大（大電流下結(jié)溫會(huì)顯著升高），小電流或脈沖電流測試，內(nèi)阻降低（因?yàn)榻Y(jié)溫沒有大幅升高，沒熱積累）。

 

 

 

有的管子標(biāo)稱典型內(nèi)阻和你自己用小電流測試幾乎一樣，而有的管子自己小電流測試比標(biāo)稱典型內(nèi)阻低很多（因?yàn)樗臏y試標(biāo)準(zhǔn)是大電流）。當(dāng)然這里也有廠家標(biāo)注不嚴(yán)格問題，不要完全相信。

 

 

 

所以選擇標(biāo)準(zhǔn)是------------找Qgs和Qgd小的mos管，并同時(shí)符合低內(nèi)阻的mos管。