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大電流MOS管型號參數与应用详解-MOS管發熱分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-21 

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MOS管

MOS管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。


MOS管發熱分析

做電源設計,或者做驅動方面的電路,難免要用到MOS管。MOS管有很多種類,也有很多作用。做電源或者驅動的使用,當然就是用它的開關作用。


無論N型或者P型MOS管,其工作原理本質是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會發生像三極管做開關時的因基極電流引起的電荷存儲效應,因此在開關應用中,MOS管的開關速度應該比三極管快。其主要原理如圖:

大电流MOS管

MOS管的工作原理


在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路,如圖2漏極原封不動地接負載,叫開路漏極,開路漏極電路中不管負載接多高的電壓,都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。當然MOS管做開關使用的電路形式比較多了。

大电流MOS管

NMOS管的開路漏極電路


在開關電源應用方面,這種應用需要MOS管定期導通和關斷。比如,DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個MOS管來執行開關功能,這些開關交替在電感裏存儲能量,然後把能量釋放給負載。我們常選擇數百kHz乃至1MHz以上的頻率,因爲頻率越高,磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間,MOS管只相當于一個導體。因此,我們電路或者電源設計人員最關心的是MOS的最小傳導損耗。


我們經常看MOS管的PDF參數,MOS管制造商采用RDS(ON)參數來定義導通阻抗,對開關應用來說,RDS(ON)也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅動)電壓VGS以及流經開關的電流有關,但對于充分的柵極驅動,RDS(ON)是一個相對靜態參數。一直處于導通的MOS管很容易發熱。另外,慢慢升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數,其定義爲MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。


其發熱情況有:

1.電路設計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態,而不是在開關狀態。這也是導致MOS管發熱的一個原因。如果N-MOS做開關,G級電壓要比電源高幾V,才能完全導通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。


2.頻率太高,主要是有時過分追求體積,導致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發熱也加大了。


3.沒有做好足夠的散熱設計,電流太高,MOS管標稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流,也可能發熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片。


4.MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內阻沒有充分考慮,導致開關阻抗增大。


大電流mos管

由于功率MOSFET熱穩定性好,故比雙極型晶體管並聯連接簡單。可是並聯連接MOSFET用于高速開關則末必簡單,從現象看並聯連接會發生以下兩個問題:

1) 电流会集中某一个器件中。

2 ) 寄生振荡。

大电流MOS管

並聯連接方面的問題

參數

Lo:柵、導線電感

LD:漏、導線電感

LS:源、導線電感

Cmi:密勒電容

CGS:柵、源間電源

ra:柵、電阻(多晶矽)


(1)電流會集到某一個器件中

这是由于并联连接的器件中的某一个器件早于或迟于其它器件导通或断开而引起的。导通、断开的时刻差异是由于器件间的阈值电压和正向传输导纳等參數的差别而引起。图1表明把具有不同VGS(th)和 g.f .s 的功率MOSFET并联衔接时发生电流不平衡的一个比如。

驱动级的输出阻抗大的时候,电流不平衡的发生时刻由功率MOSFET的输入电容Ciss而决议。另外,并联连接的全部器件导通之后,流到各器件的电流与Rds(on)成反比 。


( 2 ) 寄生振荡

如把功率MOSFET的栅极直接并联衔接,就常常发生寄生振荡。如图2所示,经过各个器件的漏、栅间电容( 密勒电容 )和栅极引线电感构成谐振电路 。关于这个谐振电路的Q,也即电抗器 ( L 、C ) 对电阻之比 (Q = i∞/ R ) 非常大,简单发生寄生振荡。

从以下两个方面采取办法 :

1)器材的挑選

2)裝置上的考慮


並聯連接及辦法

( 1) 把功率MOSFET用作开关器件时,无须过于慎重考虑,由于功率MOSFET的最大脉冲电流允许为直流额定值的 3-4倍,只需极力缩小驱动级的输出阻抗就行.把功率MOSFET用在线性电路时,只挑选同一批产品是不行的 ,与双极型晶体管一样外加源电阻使之平衡是很有必要的.

大电流MOS管

( 2 )装置办法

选用低电感布线是当然的,但在并联连接中仅用铜板是不行的 ,由于因公共阻扰发生的 电压使栅、源间电压不能平衡,为了防止这点,并联连接的各个器件应是彻底持平的布线,应如图3那样用对称的布线 ,但因装置上的约束,不行能用对称布钱时,这时同轴的(多股绞合线、带状线 ) 布线也是很有用的。如图4那样,经过薄的绝缘膜把铜板制成的漏和源的布线。

分别做成多层结构,则由于布线发生电感的一起也发生电容 ,而构成图5的等效电路。由电感发生的电压经过电容传输使各个器材的栅  、源间电压则变得持平。由于功率MOSFET的导通电阻和耐压有以下的联系,即Rds(on)∞BVds2 .4-2.7所以在总芯片面积持平的情况下,如把几个低压MOSFET串联连接 ,比1个高耐压MOSFET的导通电阻低。图1表明串联连接个数和导通电阻下降率之间的联系。从此图中能够看出 ,用串联衔接比提高每个功率MOSFET的耐压更有优越性 。可是,随着串联连接MOSFET 的个数的添加,驱动电路变得复杂,从成本和装置上考虑 ,2-5个MOSFET的串联衔接较为适宜。


大電流MOS管應用

1、交流/直流電源的同步整流

2、直流電機驅動

3、逆變器

4、電池充電器和電池保護電路

5、36V-96V系統中的馬達控制

6、隔離的直流-直流轉換器

7、不間斷電源


大電流MOS管型號

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大电流MOS管


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