MOSFET工作原理

 

什么是MOSFET？MOSFET是全稱(chēng)為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體。
 

它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型通常稱(chēng)P溝道型。如圖1所示，對(duì)于N溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，如圖2所示，其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。無(wú)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(lái)控制輸出端漏極的電流 (或稱(chēng)輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng))，故可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱(chēng)之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。

 

當(dāng)MOSFET處于工作狀態(tài)時(shí)，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(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。

 

圖1 N溝道型MOSFET

 

圖2 P溝道型MOSFET

 

MOSFET發(fā)熱影響因素

 

MOS管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常有以下參數(shù)：導(dǎo)通阻抗RDS（ON），柵極（或驅(qū)動(dòng)）電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流漏源極電流ID，RDS（ON）與柵極（或驅(qū)動(dòng)） 電壓VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS（ON）是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。除此之外，慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS（ON）的增加。隨著RDS的增加，導(dǎo)致功率管的損耗增加，從而導(dǎo)致發(fā)熱現(xiàn)象，這也是MOSFET發(fā)熱的根本原因。

 

那么總結(jié)導(dǎo)致發(fā)熱的主要因素主要有以下幾點(diǎn)：

 

●    電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，MOS管導(dǎo)通過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致，如圖3所示為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程。例如：讓N-MOS做開(kāi)關(guān)，G級(jí)電壓就要比電源高幾V才能完全導(dǎo)通，而P-MOS則相反。沒(méi)有完全導(dǎo)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(guò)大導(dǎo)致發(fā)熱。

 

●    功率管的驅(qū)動(dòng)頻率太高，頻率與導(dǎo)通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時(shí)，首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大。

 

●    功率管選型不當(dāng)，導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))確實(shí)是最為關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，然而開(kāi)關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs也有關(guān)，大部分工程師會(huì)優(yōu)先選用低導(dǎo)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(shí)夠用就行，不能選擇太小的內(nèi)阻。

 

●    通過(guò)漏極和源極的導(dǎo)通電流ID過(guò)大，造成這樣的原因主要是沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，MOS管標(biāo)稱(chēng)的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。

 

圖3 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程

 

如何測(cè)試功率損耗？

 

為了解決MOS管發(fā)熱問(wèn)題，要準(zhǔn)確判斷是否是以上幾種原因造成，更重要的是對(duì)開(kāi)關(guān)管功率損耗進(jìn)行正確的測(cè)試，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，從而找對(duì)改善的關(guān)鍵點(diǎn)。那么我們可以通過(guò)示波器來(lái)觀看開(kāi)關(guān)管波形，來(lái)判斷驅(qū)動(dòng)頻率是否過(guò)高，以及測(cè)試G極驅(qū)動(dòng)電壓的大小、通過(guò)漏源極的Id電流大小等，并直接測(cè)試出開(kāi)關(guān)管的功率損耗。

 

MOS管工作狀態(tài)有四種，開(kāi)通過(guò)程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程，截止?fàn)顟B(tài)。

 

MOS管主要損耗：開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，截止損耗，還有能量損耗，開(kāi)關(guān)損耗往往大于后者，小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”，而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計(jì)。具體使用下面公式計(jì)算：

 

 

圖4 MOS管工作全過(guò)程

 

圖5 MOSFET導(dǎo)通功耗波形

 

通過(guò)示波器的電源測(cè)試軟件中的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試功能，可得到以下開(kāi)關(guān)管的功率損耗測(cè)試結(jié)果，如圖6。通過(guò)結(jié)果我們可以判斷開(kāi)關(guān)管的具體通斷波形以及電壓、電流值，并得到整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程以及導(dǎo)通部分的損耗，從而可以判斷出有問(wèn)題的部分，進(jìn)行排查改善。

 

圖6 開(kāi)關(guān)管波形實(shí)際測(cè)試圖

 

致遠(yuǎn)電子ZDS5000示波器內(nèi)部集成了電源測(cè)試軟件，可以直接對(duì)開(kāi)關(guān)管的MOSFET進(jìn)行全過(guò)程各個(gè)部分的功率損耗測(cè)試。對(duì)于某些開(kāi)關(guān)元器件，開(kāi)關(guān)周期損耗不盡相同，且開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間很短，如Boost-PFC，因此不能用通過(guò)測(cè)量一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（如80KHz）評(píng)估整體損耗。ZDS5000系列示波器有512M的存儲(chǔ)深度，可以對(duì)PFC等高速功率管進(jìn)行高采樣率的半波分析，因此能夠測(cè)量的更準(zhǔn)確，如圖7所示。

 

圖7 PFC半周波測(cè)試

 

 

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