大(da)电流MOS管型号参数与(yu)应用详解-MOS管发热分(fen)析-KIA MOS管
信息来源:本站 日期:2018-12-21
MOS管是(shi)金(jin)属(shu)(metal)—氧化物(oxide)—半(ban)导体(ti)(semiconductor)场效应晶体(ti)管,或(huo)者(zhe)称是(shi)金(jin)属(shu)—绝缘(yuan)体(ti)(insulator)—半(ban)导体(ti)。MOS管的(de)source和drain是(shi)可以对(dui)调的(de),他们都是(shi)在(zai)P型backgate中形(xing)成(cheng)的(de)N型区。在(zai)多数情(qing)况下,这(zhei)个(ge)(ge)两(liang)个(ge)(ge)区是(shi)一样的(de),即使两(liang)端对(dui)调也不会影响(xiang)器(qi)(qi)件的(de)性(xing)能(neng)。这(zhei)样的(de)器(qi)(qi)件被认为(wei)是(shi)对(dui)称的(de)。
做电源(yuan)设计,或(huo)者做驱(qu)动方面的(de)电路,难免要用(yong)到MOS管(guan)。MOS管(guan)有(you)很(hen)(hen)多种类,也有(you)很(hen)(hen)多作用(yong)。做电源(yuan)或(huo)者驱(qu)动的(de)使用(yong),当然就是用(yong)它(ta)的(de)开关(guan)作用(yong)。
无论N型或者P型MOS管(guan)(guan),其工作原(yuan)理本质是(shi)(shi)一样(yang)的(de)(de)。MOS管(guan)(guan)是(shi)(shi)由加(jia)在(zai)输入端栅(zha)极(ji)的(de)(de)电压(ya)来控制(zhi)输出(chu)端漏极(ji)的(de)(de)电流。MOS管(guan)(guan)是(shi)(shi)压(ya)控器件它通(tong)过加(jia)在(zai)栅(zha)极(ji)上的(de)(de)电压(ya)控制(zhi)器件的(de)(de)特性,不会(hui)发(fa)生(sheng)像三(san)极(ji)管(guan)(guan)做(zuo)开(kai)关时的(de)(de)因(yin)基极(ji)电流引起(qi)的(de)(de)电荷存储效应(ying),因(yin)此在(zai)开(kai)关应(ying)用中,MOS管(guan)(guan)的(de)(de)开(kai)关速度应(ying)该比三(san)极(ji)管(guan)(guan)快。其主要原(yuan)理如图:
MOS管的工作原理
在(zai)开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)(dian)源(yuan)中(zhong)常(chang)用MOS管的(de)漏极(ji)(ji)开(kai)路(lu)电(dian)(dian)路(lu),如图(tu)2漏极(ji)(ji)原封不(bu)动(dong)地接(jie)负载(zai),叫开(kai)路(lu)漏极(ji)(ji),开(kai)路(lu)漏极(ji)(ji)电(dian)(dian)路(lu)中(zhong)不(bu)管负载(zai)接(jie)多高(gao)的(de)电(dian)(dian)压,都(dou)能够(gou)接(jie)通和(he)关(guan)(guan)(guan)断负载(zai)电(dian)(dian)流。是理想的(de)模(mo)拟开(kai)关(guan)(guan)(guan)器件(jian)。这就是MOS管做开(kai)关(guan)(guan)(guan)器件(jian)的(de)原理。当(dang)然MOS管做开(kai)关(guan)(guan)(guan)使用的(de)电(dian)(dian)路(lu)形(xing)式(shi)比较(jiao)多了。
NMOS管的开路漏极电路
在开关(guan)电(dian)源应(ying)用方面,这种应(ying)用需要MOS管定期(qi)导(dao)通和关(guan)断。比(bi)如,DC-DC电(dian)源中(zhong)常用的(de)(de)基本降(jiang)压转换器依赖两个MOS管来执行开关(guan)功能,这些开关(guan)交替在电(dian)感里存储能量(liang),然后(hou)把能量(liang)释放给负载。我(wo)(wo)们常选(xuan)择数(shu)百kHz乃至1MHz以上的(de)(de)频(pin)率,因为频(pin)率越高,磁性(xing)元(yuan)件(jian)可以更(geng)小更(geng)轻(qing)。在正常工作期(qi)间,MOS管只相当于一(yi)个导(dao)体。因此,我(wo)(wo)们电(dian)路或者电(dian)源设计(ji)人员(yuan)最(zui)关(guan)心的(de)(de)是MOS的(de)(de)最(zui)小传导(dao)损耗。
我们(men)经(jing)常看(kan)MOS管(guan)的(de)PDF参数(shu),MOS管(guan)制造(zao)商采用RDS(ON)参数(shu)来(lai)定(ding)义导通(tong)(tong)阻抗(kang),对开(kai)关应用来(lai)说,RDS(ON)也(ye)是(shi)最重要的(de)器(qi)件特性。数(shu)据手册定(ding)义RDS(ON)与栅极(或驱(qu)动)电(dian)(dian)压VGS以及流经(jing)开(kai)关的(de)电(dian)(dian)流有(you)关,但(dan)对于充分的(de)栅极驱(qu)动,RDS(ON)是(shi)一个相(xiang)对静态参数(shu)。一直处于导通(tong)(tong)的(de)MOS管(guan)很容易发热(re)(re)。另外,慢(man)慢(man)升高的(de)结温也(ye)会导致(zhi)RDS(ON)的(de)增加。MOS管(guan)数(shu)据手册规定(ding)了热(re)(re)阻抗(kang)参数(shu),其定(ding)义为MOS管(guan)封装的(de)半导体结散热(re)(re)能力。RθJC的(de)最简(jian)单(dan)的(de)定(ding)义是(shi)结到管(guan)壳的(de)热(re)(re)阻抗(kang)。
其(qi)发热情况有:
1.电(dian)路(lu)设计(ji)的(de)问题,就是让(rang)MOS管工作在线性的(de)工作状态,而不是在开(kai)关(guan)状态。这(zhei)也(ye)(ye)是导致(zhi)MOS管发热的(de)一个原因。如果N-MOS做开(kai)关(guan),G级电(dian)压(ya)要比(bi)(bi)电(dian)源高几V,才能完全(quan)导通,P-MOS则相反(fan)。没有(you)完全(quan)打开(kai)而压(ya)降过(guo)大(da)造成(cheng)功(gong)率消耗,等效直流阻抗比(bi)(bi)较大(da),压(ya)降增大(da),所以U*I也(ye)(ye)增大(da),损耗就意味(wei)着发热。这(zhei)是设计(ji)电(dian)路(lu)的(de)最(zui)忌(ji)讳的(de)错误。
2.频率太高,主(zhu)要(yao)是有(you)时过分追求体积,导(dao)致(zhi)频率提高,MOS管上的损耗(hao)增(zeng)大(da)了,所以发热也加大(da)了。
3.没有做好足(zu)够的(de)(de)(de)散热(re)设计,电流(liu)太高,MOS管(guan)标称(cheng)的(de)(de)(de)电流(liu)值(zhi),一(yi)般需(xu)要良好的(de)(de)(de)散热(re)才能达到(dao)。所以ID小于(yu)最大电流(liu),也可能发热(re)严重,需(xu)要足(zu)够的(de)(de)(de)辅助散热(re)片。
4.MOS管的选型有(you)(you)误(wu),对功率判(pan)断有(you)(you)误(wu),MOS管内阻没(mei)有(you)(you)充分考(kao)虑,导致开关阻抗增大。
由于功率MOSFET热(re)稳定(ding)性好,故比双极型晶(jing)体(ti)管并联(lian)连接简单(dan)。可是(shi)并联(lian)连接MOSFET用(yong)于高速开关(guan)则末必(bi)简单(dan),从现象看(kan)并联(lian)连接会发生以下(xia)两(liang)个问题:
1) 电流会(hui)集中某一个器件中。
2 ) 寄生(sheng)振荡。
并联连接方面(mian)的问题
参数
Lo:栅(zha)、导线电感
LD:漏(lou)、导线电感
LS:源(yuan)、导线(xian)电感(gan)
Cmi:密(mi)勒电容
CGS:栅、源(yuan)间(jian)电(dian)源(yuan)
ra:栅、电阻(多晶硅(gui))
(1)电流(liu)会集到某一个器(qi)件(jian)中
这是由于并联连接的器(qi)件(jian)(jian)中(zhong)的某(mou)一个器(qi)件(jian)(jian)早(zao)于或(huo)迟于其它器(qi)件(jian)(jian)导(dao)(dao)通(tong)或(huo)断开而(er)引起(qi)的。导(dao)(dao)通(tong)、断开的时刻差异是由于器(qi)件(jian)(jian)间(jian)的阈(yu)值电压和正向传(chuan)输导(dao)(dao)纳等参数的差别(bie)而(er)引起(qi)。图1表明把(ba)具(ju)有不同VGS(th)和 g.f .s 的功率(lv)MOSFET并联衔接时发生(sheng)电流(liu)不平衡的一个比如。
驱(qu)动级的(de)(de)输(shu)(shu)出阻抗大的(de)(de)时候,电流不平衡的(de)(de)发生时刻由功(gong)率MOSFET的(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)电容Ciss而决(jue)议。另外,并联连接的(de)(de)全部(bu)器件导通之后,流到(dao)各器件的(de)(de)电流与Rds(on)成反比 。
( 2 ) 寄生振荡
如把功率(lv)MOSFET的栅(zha)(zha)极(ji)直(zhi)接并联衔接,就常常发生(sheng)寄生(sheng)振(zhen)荡(dang)。如图2所示,经过各个(ge)器件的漏、栅(zha)(zha)间(jian)电(dian)(dian)容( 密勒电(dian)(dian)容 )和(he)栅(zha)(zha)极(ji)引线电(dian)(dian)感构成(cheng)谐振(zhen)电(dian)(dian)路 。关(guan)于这(zhei)个(ge)谐振(zhen)电(dian)(dian)路的Q,也(ye)即电(dian)(dian)抗器 ( L 、C ) 对电(dian)(dian)阻之比 (Q = i∞/ R ) 非(fei)常大,简单(dan)发生(sheng)寄生(sheng)振(zhen)荡(dang)。
从以下(xia)两个(ge)方面采取(qu)办法 :
1)器(qi)材的挑(tiao)选
2)装置(zhi)上的考虑(lv)
( 1) 把功率MOSFET用作(zuo)开关器件时,无须过于慎重考虑,由于功率MOSFET的(de)最大脉冲(chong)电流允许为(wei)直流额定值的(de) 3-4倍,只需极力缩(suo)小驱动级的(de)输出(chu)阻抗就行.把功率MOSFET用在线性电路时,只挑(tiao)选同(tong)一批(pi)产品(pin)是不行的(de) ,与双(shuang)极型晶体管一样外(wai)加源电阻使(shi)之平衡(heng)是很(hen)有(you)必(bi)要的(de).
( 2 )装置办(ban)法
选用低电感布(bu)线(xian)(xian)是当然(ran)的(de),但(dan)在(zai)并(bing)联(lian)连(lian)接(jie)中仅用铜板(ban)是不行的(de) ,由于因公共阻(zu)扰发生的(de) 电压使栅、源(yuan)间电压不能平(ping)(ping)衡,为了防止这点,并(bing)联(lian)连(lian)接(jie)的(de)各个器件应(ying)是彻底持平(ping)(ping)的(de)布(bu)线(xian)(xian),应(ying)如图3那样用对称的(de)布(bu)线(xian)(xian) ,但(dan)因装置上的(de)约束,不行能用对称布(bu)钱时,这时同(tong)轴(zhou)的(de)(多股绞合线(xian)(xian)、带状线(xian)(xian) ) 布(bu)线(xian)(xian)也是很有用的(de)。如图4那样,经过(guo)薄(bo)的(de)绝(jue)缘膜把铜板(ban)制成(cheng)的(de)漏和(he)源(yuan)的(de)布(bu)线(xian)(xian)。
分别做成多(duo)层结构,则由(you)(you)于布线(xian)发(fa)生(sheng)电(dian)感(gan)的(de)(de)(de)一起也发(fa)生(sheng)电(dian)容 ,而构成图5的(de)(de)(de)等(deng)效(xiao)电(dian)路(lu)。由(you)(you)电(dian)感(gan)发(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)经过电(dian)容传输使各个(ge)(ge)器材的(de)(de)(de)栅(zha) 、源间(jian)电(dian)压(ya)则变(bian)得持平。由(you)(you)于功(gong)率MOSFET的(de)(de)(de)导(dao)通电(dian)阻(zu)和耐压(ya)有以(yi)下(xia)的(de)(de)(de)联(lian)系(xi),即Rds(on)∞BVds2 .4-2.7所以(yi)在总芯(xin)片面积持平的(de)(de)(de)情况下(xia),如把几个(ge)(ge)低压(ya)MOSFET串(chuan)(chuan)联(lian)连接(jie)(jie) ,比1个(ge)(ge)高耐压(ya)MOSFET的(de)(de)(de)导(dao)通电(dian)阻(zu)低。图1表明串(chuan)(chuan)联(lian)连接(jie)(jie)个(ge)(ge)数和导(dao)通电(dian)阻(zu)下(xia)降(jiang)率之间(jian)的(de)(de)(de)联(lian)系(xi)。从此图中(zhong)能够看出 ,用串(chuan)(chuan)联(lian)衔接(jie)(jie)比提高每(mei)个(ge)(ge)功(gong)率MOSFET的(de)(de)(de)耐压(ya)更有优(you)越(yue)性 。可是,随着(zhe)串(chuan)(chuan)联(lian)连接(jie)(jie)MOSFET 的(de)(de)(de)个(ge)(ge)数的(de)(de)(de)添加,驱动(dong)电(dian)路(lu)变(bian)得复杂,从成本(ben)和装置上(shang)考虑 ,2-5个(ge)(ge)MOSFET的(de)(de)(de)串(chuan)(chuan)联(lian)衔接(jie)(jie)较为适宜。
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