MOS管開關(guān)損耗-MOS管開關(guān)損耗的原因分析及減少損耗的方法介紹-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-07-07
開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗指功率管從截止到導(dǎo)通時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導(dǎo)通到截止時(shí),所產(chǎn)生的功率損耗。開關(guān)損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關(guān)斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開關(guān)（Hard-Switching）和軟開關(guān)（Soft-Switching）中討論。所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關(guān)管在開通時(shí)，開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管的電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，會(huì)產(chǎn)生損耗，這個(gè)損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關(guān)斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關(guān)損耗另一個(gè)意思是指在開關(guān)電源中，對(duì)大的MOS管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，需要對(duì)寄生電容充放電，這樣也會(huì)引起損耗。
公司網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)及無(wú)線基站產(chǎn)品各單板都采用通過簡(jiǎn)單的改變RC充電回路中R和C值，產(chǎn)生一個(gè)漸變的電壓控制一個(gè)在一定電壓下導(dǎo)通的開關(guān)MOS管，來(lái)導(dǎo)通輸入直流-48V電壓進(jìn)而減少熱插拔過程的浪涌電流。但是因?yàn)閷?duì)于MOS管本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開關(guān)過程和損耗了解不全面，造成了大批MOS管失效的案例。筆者通過對(duì)公司各產(chǎn)品直流-48V緩啟動(dòng)電路MOS管失效情況分析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，MOS管的失效在公司各產(chǎn)品事業(yè)部都有發(fā)生，失效問題數(shù)量比較多，但失效原因卻比較單一，都是由于短時(shí)過功率燒毀。失效案例中同時(shí)也提出了改善對(duì)策，需要我們改進(jìn)目前-48 V DC緩啟動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)減少M(fèi)OS管開關(guān)過程的損耗，避免MOS管失效問題的再次發(fā)生。
1、 柵極電荷QG
在MOS管中，柵極電荷決定于柵極氧化層的厚度及其它與裸片布線有關(guān)的物理參數(shù)，它可以表示為驅(qū)動(dòng)電流值與開通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫(kù)侖到一、兩百納庫(kù)侖。如圖所示，是柵極電壓和柵極電荷之間的關(guān)系，從中可以看到柵極電荷的非線性特性。這條曲線的斜率可用來(lái)估計(jì)柵極電容Cgs的數(shù)值。曲線的第一段是線性的，QGS是使柵極電壓從0升到門限值所需電荷，此時(shí)漏極電流出現(xiàn)，漏極電壓開始下降;此段柵極電容Cgs就是Cgs。曲線的第二段是水平的，柵極到漏極電荷QGD是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，所以柵極到漏極電荷QGD也稱為“Miller”電荷。此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降。這一段的柵極電容是Cgs加上Cgd的影響(通常稱為Miller效應(yīng))。通過觀察柵極電壓UGS和柵極電荷QG之間的關(guān)系可以看出，寄生的柵極電荷QG值雖然很小，但是在MOS管導(dǎo)通過程中可分為明顯的3個(gè)階段;同時(shí)，由于受柵極到漏極電荷QGD即“Miller”電荷的影響使柵極電荷產(chǎn)生了非線性特性，也影響了柵極電壓UGS的線性升高。
2、MOS管的極間電容
MOS管其內(nèi)部極間電容主要有Cgs、Cgd和Cds。并且Cgs>>Cds>>Cgd。其中Cgs為柵源電容、Cgd為柵漏電容，它們是由Mos結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的;Cds為漏源電容，由PN結(jié)構(gòu)成。MOS管極間電容等效電路如圖2所示。MOS管管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：
Cgd=Crss
Cgs=Ciss-Crss
Cds=Coss-Crss
公式中Ciss、Coss、和Crss分別是MOS管的輸入電容、輸出電容和反饋電容。它們的數(shù)值可以在MOS管的手冊(cè)上查到。
通過觀察MOS管極間電容和寄生柵極電荷QG，可以看到，MOS管極間電容是由其導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)及工藝決定，固有的。由于存在反饋電容及柵極到漏極電荷QGD，QGD的大部分用來(lái)減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應(yīng)，此時(shí)Vds尚未達(dá)到Vsat。對(duì)曲線水平段所對(duì)應(yīng)的電容Cgs充電所花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，Vgs維持在一個(gè)恒定電壓上的時(shí)間也就越長(zhǎng)，MOS管達(dá)到飽和狀態(tài)所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。這種情況相應(yīng)的MOS管的能量損耗也越大，產(chǎn)生的熱量越多、效率越低。
3 、MOS管的導(dǎo)通過程
MOS管極間電容是影響開關(guān)時(shí)間的主要因素。由于受極問電容的影響，MOS管的導(dǎo)通過程可分為如下幾個(gè)階段，如圖所示：
1)t0～t1期間：驅(qū)動(dòng)電壓從零上升，經(jīng)rG對(duì)圖3 MOSFET等效結(jié)構(gòu)中G端輸入電容Ciss充電，電壓按虛線上升(開路脈沖)，Ciss越小，則電壓上升的越快;
2)t1～t2期間：t1瞬時(shí)，MOS管的柵源電壓達(dá)到開啟電壓UGS(th)，漏極電流開始上升;由于漏源等效的輸出電容Coss會(huì)對(duì)MOS管容性放電，漏極電流ID上升，漏源電壓下降;同時(shí)受反饋電容Crss的影響G驅(qū)動(dòng)電壓Vgs的上升速率特別平緩，(低于開路脈沖);
3)t2～t3期間：t2瞬間，漏極電流ID已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)幅值，但Coss的電壓尚大，電流還會(huì)上沖;
4)t3～t4期間：t3瞬時(shí)，Coss在漏極峰值電流放電下，漏極電壓迅速下降，受反饋電容Crss的影響G驅(qū)動(dòng)電壓略有回落，維持漏極電流所需的驅(qū)動(dòng)電壓值，保持平衡;
5)t4之后：t4瞬時(shí)，Coss的電荷放完，漏源電壓近似為零，并保持不變;反饋消失。Vgs升高到開路脈沖，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通期。
由此MOS管開通過程可看，漏極電流在QG波形的QGD階段出現(xiàn)，由于受極間電容的影響，VDS電壓失去了線性的過程，所以一方面在漏極電流出現(xiàn)的過程，該段漏極電壓依然很高，漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這就造成了MOS管功率損耗的增加。另一方面開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，由于受受 “Miller”電荷的影響，電容Cgs充電需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，Vgs長(zhǎng)時(shí)間上升速率特別平緩，(低于開路脈沖)，這種情況造成MOS管的損耗很大并產(chǎn)生大量熱量、降低了開關(guān)效率。
通過對(duì)MOS管特性的分析可以看出，MOS管并不是單純的電壓控制器件。它的開啟和開關(guān)速度與電流有關(guān)，它取決于驅(qū)動(dòng)電路是否能夠在它需要時(shí)提供足夠的電流，使電容Cgs快速充電。由于在第二段時(shí)，受“Miller”電荷及極間電容的影響，電容充電需要較長(zhǎng)時(shí)間，造成MOS管開關(guān)損耗增加，產(chǎn)生大量的熱量。同時(shí)由于VDS電壓失去了線性的過程，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。在這整個(gè)過程中，MOSF管的開關(guān)損耗和功率損耗都增加，這就很容易造成MOS管的燒毀。所以在第二段迫切要求柵極驅(qū)動(dòng)能夠提供足夠的電流，在短時(shí)間內(nèi)為第二段曲線對(duì)應(yīng)的柵極電容Cgs充電，使MOS管迅速地開啟。同時(shí)，要提供一個(gè)合理的 Vgs最佳平臺(tái)電壓(也就是總的QG)，在此過程控制VDS電壓的線性度，使電流的變化和漏極電壓變化率相等，減少功率損耗。利用MOS管及分立器件實(shí)現(xiàn)-48 V電源緩啟動(dòng)需要優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，既要提供柵極電流，又要控制好漏源電壓的線性度，從而控制漏極沖擊電流，以減少M(fèi)OS管的損耗。
減小開關(guān)損耗一方面要盡可能地制造出具有理想開關(guān)特性的器件,另一方面利用新的線路技術(shù)改變器件開關(guān)時(shí)期的波形,如:晶體管緩沖電路,諧振電路,和軟開關(guān)技術(shù)等。
(1)晶體管緩沖電路(即加吸收網(wǎng)絡(luò)技術(shù))
早期電源多采用此線路技術(shù)。采用此電路, 功率損耗雖有所減小,但仍不是很理想。①減少導(dǎo)通損耗在變壓器次級(jí)線圈后面加飽和電感, 加反向恢復(fù)時(shí)間快的二極管,利用飽和電感阻礙電流變化的特性, 限制電流上升的速率,使電流與電壓的波形盡可能小地重疊。②減少截止損耗加R 、C 吸收網(wǎng)絡(luò), 推遲變壓器反激電壓發(fā)生時(shí)間, 最好在電流為0時(shí)產(chǎn)生反激電壓,此時(shí)功率損耗為0。該電路利用電容上電壓不能突變的特性,推遲反激電壓發(fā)生時(shí)間。為了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此電路有明顯缺點(diǎn):因?yàn)殡娮璧拇嬖?導(dǎo)致吸收網(wǎng)絡(luò)有損耗 。
(2)諧振電路
該電路只改變開關(guān)瞬間電流波形,不改變導(dǎo)通時(shí)電流波形。只要選擇好合適的L 、C ,結(jié)合二極管結(jié)電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通或截止。因此, 采用諧振技術(shù)可使開關(guān)損耗很小。所以, SWITCHTEC 電源開關(guān)頻率可以做到術(shù)結(jié)構(gòu)380kHz的高頻率。
(3)軟開關(guān)技術(shù)
該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)起鉗位作用, 并構(gòu)成瀉放回路, 瀉放電流。電容在反激電壓作用下, 電容被充電, 電壓不能突然增加, 當(dāng)電壓比較大的時(shí)侯, 電流已經(jīng)為0。
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