MOS损坏的主要原因及解决方案

来源:智汇工业

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关键词:MOS损坏 控制器 静电

    MOS在控制器电路中的工作状态:开通过程(由截止到导通的过渡过程)、导通状态、关断过程(由导通到截止的过渡过程)、截止状态。



    MOS 主要损耗也对应这几个状态,开关损耗(开通过程和关断过程),导通损耗,截止损耗(漏电流引起的,这个忽略不计),还有雪崩能量损耗。只要把这些损耗控制在 MOS 承受规格之内,MOS 即会正常工作,超出承受范围,即发生损坏。而开关损耗往往大于导通状态损耗,不同 MOS 这个差距可能很大。


    MOS 损坏主要原因:


    过流 ---------- 持续大电流或瞬间超大电流引起的结温过高而烧毁;


    过压 ---------- 源漏过压击穿、源栅极过压击穿;


    静电 ---------- 静电击穿,CMOS 电路都怕静电;


    MOS 开关原理(简要)。MOS 是电压驱动型器件,只要栅极和源级间给一个适当电压,源级和漏级间通路就形成。这个电流通路的电阻被成为 MOS 内阻,就是导通电阻。这个内阻大小基本决定了 MOS 芯片能承受的最大导通电流(当然和其它因素有关,最有关的是热阻)。内阻越小承受电流越大(因为发热小)。


    MOS 问题远没这么简单,麻烦在它的栅极和源级间,源级和漏级间,栅极和漏级间内部都有等效电容。所以给栅极电压的过程就是给电容充电的过程(电容电压不能突变),所以 MOS 源级和漏级间由截止到导通的开通过程受栅极电容的充电过程制约。


    然而,这三个等效电容是构成串并联组合关系,它们相互影响,并不是独立的,如果独立的就很简单了。其中一个关键电容就是栅极和漏级间的电容 Cgd,这个电容业界称为米勒电容。这个电容不是恒定的,随栅极和漏级间电压变化而迅速变化。这个米勒电容是栅极和源级电容充电的绊脚石,因为栅极给栅 - 源电容 Cgs 充电达到一个平台后,栅极的充电电流必须给米勒电容 Cgd 充电,这时栅极和源级间电压不再升高,达到一个平台,这个是米勒平台(米勒平台就是给 Cgd 充电的过程),米勒平台大家首先想到的麻烦就是米勒振荡。(即,栅极先给 Cgs 充电,到达一定平台后再给 Cgd 充电)


    因为这个时候源级和漏级间电压迅速变化,内部电容相应迅速充放电,这些电流脉冲会导致 MOS 寄生电感产生很大感抗,这里面就有电容,电感,电阻组成震荡电路(能形成 2 个回路),并且电流脉冲越强频率越高震荡幅度越大。所以最关键的问题就是这个米勒平台如何过渡。


    Gs 极加电容,减慢 MOS 管导通时间,有助于减小米勒振荡。防止 MOS 管烧毁。


    过快的充电会导致激烈的米勒震荡,但过慢的充电虽减小了震荡,但会延长开关从而增加开关损耗。MOS 开通过程源级和漏级间等效电阻相当于从无穷大电阻到阻值很小的导通内阻(导通内阻一般低压 MOS 只有几毫欧姆)的一个转变过程。


    比如一个 MOS 最大电流 100a,电池电压 96v,在开通过程中,有那么一瞬间(刚进入米勒平台时)MOS 发热功率是 P=V*I(此时电流已达最大,负载尚未跑起来,所有的功率都降落在 MOS 管上),P=96*100=9600w!这时它发热功率最大,然后发热功率迅速降低直到完全导通时功率变成 100*100*0.003=30w(这里假设这个 MOS 导通内阻 3 毫欧姆)。开关过程中这个发热功率变化是惊人的。


    如果开通时间慢,意味着发热从 9600w 到 30w 过渡的慢,MOS 结温会升高的厉害。所以开关越慢,结温越高,容易烧 MOS。为了不烧 MOS,只能降低 MOS 限流或者降低电池电压,比如给它限制 50a 或电压降低一半成 48v,这样开关发热损耗也降低了一半。不烧管子了。


    这也是高压控容易烧管子原因,高压控制器和低压的只有开关损耗不一样(开关损耗和电池端电压基本成正比,假设限流一样),导通损耗完全受 MOS 内阻决定,和电池电压没任何关系。


    其实整个 MOS 开通过程非常复杂。里面变量太多。总之就是开关慢不容易米勒震荡,但开关损耗大,管子发热大,开关速度快理论上开关损耗低(只要能有效抑制米勒震荡),但是往往米勒震荡很厉害(如果米勒震荡很严重,可能在米勒平台就烧管子了),反而开关损耗也大,并且上臂 MOS 震荡更有可能引起下臂 MOS 误导通,形成上下臂短路。


    所以这个很考验设计师的驱动电路布线和主回路布线技能。最终就是找个平衡点(一般开通过程不超过 1us)。开通损耗这个最简单,只和导通电阻成正比,想大电流低损耗找内阻低的。

    (审核编辑: 智汇婷婷)