MOS損壞的主要原因及解決方案

來源:智匯工業

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關鍵詞:MOS損壞 控制器 靜電

    MOS在控制器電路中的工作狀態:開通過程(由截止到導通的過渡過程)、導通狀態、關斷過程(由導通到截止的過渡過程)、截止狀態。



    MOS 主要損耗也對應這幾個狀態,開關損耗(開通過程和關斷過程),導通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個忽略不計),還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在 MOS 承受規格之內,MOS 即會正常工作,超出承受范圍,即發生損壞。而開關損耗往往大于導通狀態損耗,不同 MOS 這個差距可能很大。


    MOS 損壞主要原因:


    過流 ---------- 持續大電流或瞬間超大電流引起的結溫過高而燒毀;


    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 開關原理(簡要)。MOS 是電壓驅動型器件,只要柵極和源級間給一個適當電壓,源級和漏級間通路就形成。這個電流通路的電阻被成為 MOS 內阻,就是導通電阻。這個內阻大小基本決定了 MOS 芯片能承受的最大導通電流(當然和其它因素有關,最有關的是熱阻)。內阻越小承受電流越大(因為發熱?。?。


    MOS 問題遠沒這么簡單,麻煩在它的柵極和源級間,源級和漏級間,柵極和漏級間內部都有等效電容。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 源級和漏級間由截止到導通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。


    然而,這三個等效電容是構成串并聯組合關系,它們相互影響,并不是獨立的,如果獨立的就很簡單了。其中一個關鍵電容就是柵極和漏級間的電容 Cgd,這個電容業界稱為米勒電容。這個電容不是恒定的,隨柵極和漏級間電壓變化而迅速變化。這個米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石,因為柵極給柵 - 源電容 Cgs 充電達到一個平臺后,柵極的充電電流必須給米勒電容 Cgd 充電,這時柵極和源級間電壓不再升高,達到一個平臺,這個是米勒平臺(米勒平臺就是給 Cgd 充電的過程),米勒平臺大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。(即,柵極先給 Cgs 充電,到達一定平臺后再給 Cgd 充電)


    因為這個時候源級和漏級間電壓迅速變化,內部電容相應迅速充放電,這些電流脈沖會導致 MOS 寄生電感產生很大感抗,這里面就有電容,電感,電阻組成震蕩電路(能形成 2 個回路),并且電流脈沖越強頻率越高震蕩幅度越大。所以最關鍵的問題就是這個米勒平臺如何過渡。


    Gs 極加電容,減慢 MOS 管導通時間,有助于減小米勒振蕩。防止 MOS 管燒毀。


    過快的充電會導致激烈的米勒震蕩,但過慢的充電雖減小了震蕩,但會延長開關從而增加開關損耗。MOS 開通過程源級和漏級間等效電阻相當于從無窮大電阻到阻值很小的導通內阻(導通內阻一般低壓 MOS 只有幾毫歐姆)的一個轉變過程。


    比如一個 MOS 最大電流 100a,電池電壓 96v,在開通過程中,有那么一瞬間(剛進入米勒平臺時)MOS 發熱功率是 P=V*I(此時電流已達最大,負載尚未跑起來,所有的功率都降落在 MOS 管上),P=96*100=9600w!這時它發熱功率最大,然后發熱功率迅速降低直到完全導通時功率變成 100*100*0.003=30w(這里假設這個 MOS 導通內阻 3 毫歐姆)。開關過程中這個發熱功率變化是驚人的。


    如果開通時間慢,意味著發熱從 9600w 到 30w 過渡的慢,MOS 結溫會升高的厲害。所以開關越慢,結溫越高,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,這樣開關發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損耗不一樣(開關損耗和電池端電壓基本成正比,假設限流一樣),導通損耗完全受 MOS 內阻決定,和電池電壓沒任何關系。


    其實整個 MOS 開通過程非常復雜。里面變量太多??傊褪情_關慢不容易米勒震蕩,但開關損耗大,管子發熱大,開關速度快理論上開關損耗低(只要能有效抑制米勒震蕩),但是往往米勒震蕩很厲害(如果米勒震蕩很嚴重,可能在米勒平臺就燒管子了),反而開關損耗也大,并且上臂 MOS 震蕩更有可能引起下臂 MOS 誤導通,形成上下臂短路。


    所以這個很考驗設計師的驅動電路布線和主回路布線技能。最終就是找個平衡點(一般開通過程不超過 1us)。開通損耗這個最簡單,只和導通電阻成正比,想大電流低損耗找內阻低的。

    (審核編輯: 智匯婷婷)

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