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MOS管开关损耗-MOS管开关损耗的原因分析及减少损耗的方法介绍-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-07 

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開關損耗的簡介

开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗指功率管从截止到导通时,所产生的功率损耗。截止损耗指功率管从导通到截止时,所产生的功率损耗。开关损耗(Switching-Loss)包括开通损耗(Turn-on Loss)和关断损耗(Turn-of Loss),常常在硬开关(Hard-Switching)和软开关(Soft-Switching)中讨论。所谓开通损耗(Turn-on Loss),是指非理想的开关管在开通时,开关管的电压不是立即下降到零,而是有一个下降时间,同时它的电流也不是立即上升到负载电流,也有一个上升时间。在这段时间内,开关管的电流和电压有一个交叠区,会产生损耗,这个损耗即为开通损耗。以此类比,可以得出关断损耗产生的原因,这里不再赘述。开关损耗另一个意思是指在开关电源中,对大的MOS管进行开关操作时,需要对寄生电容充放电,这样也会引起损耗。

MOS管开关损耗


MOS管在開關應用過程中的問題

公司网络、数据及无线基站产品各单板都采用通过简单的改变RC充电回路中R和C值,产生一个渐变的电压控制一个在一定电压下导通的开关MOS管,来导通输入直流-48V电压进而减少热插拔过程的浪涌电流。但是因为对于MOS管本身内部结构、开关过程和损耗了解不全面,造成了大批MOS管失效的案例。笔者通过对公司各产品直流-48V缓启动电路MOS管失效情况分析和统计发现,MOS管的失效在公司各产品事业部都有发生,失效问题数量比较多,但失效原因却比较单一,都是由于短时过功率烧毁。失效案例中同时也提出了改善对策,需要我们改进目前-48 V DC缓启动电路的驱动设计减少MOS管开关过程的损耗,避免MOS管失效问题的再次发生。


MOS管的開關損耗

1、 栅极电荷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的物理參數,它可以表示爲驅動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。圖所示,是柵極電壓和柵極電荷之間的關系,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估計柵極電容Cgs的數值。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,此時漏極電流出現,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是漏極電壓下降時克服“Miller”效應所需電荷,所以柵極到漏極電荷QGD也稱爲“Miller”電荷。此時柵極電壓不變、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(通常稱爲Miller效應)。通過觀察柵極電壓UGS和柵極電荷QG之間的關系可以看出,寄生的柵極電荷QG值雖然很小,但是在MOS管導通過程中可分爲明顯的3個階段;同時,由于受柵極到漏極電荷QGD即“Miller”電荷的影響使柵極電荷産生了非線性特性,也影響了柵極電壓UGS的線性升高。

MOS管开关损耗


2、MOS管的極間電容

MOS管其內部極間電容主要有Cgs、Cgd和Cds。並且Cgs>>Cds>>Cgd。其中Cgs爲柵源電容、Cgd爲柵漏電容,它們是由Mos結構的絕緣層形成的;Cds爲漏源電容,由PN結構成。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。它們的數值可以在MOS管的手冊上查到。

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電溝道結構及工藝決定,固有的。由于存在反饋電容及柵極到漏極電荷QGD,QGD的大部分用來減小UDS從關斷電壓到UGS(th)産生的“Miller”效應,此時Vds尚未達到Vsat。對曲線水平段所對應的電容Cgs充電所花費的時間越長,Vgs維持在一個恒定電壓上的時間也就越長,MOS管達到飽和狀態所需的時間也就越長。這種情況相應的MOS管的能量損耗也越大,産生的熱量越多、效率越低。

MOS管开关损耗


3 、MOS管的导通过程

MOS管極間電容是影響開關時間的主要因素。由于受極問電容的影響,MOS管的導通過程可分爲如下幾個階段,如圖所示:

1)t0~t1期间:驱动电压从零上升,经rG对图3 MOSFET等效结构中G端输入电容Ciss充电,电压按虚线上升(开路脉冲),Ciss越小,则电压上升的越快;

2)t1~t2期間:t1瞬時,MOS管的柵源電壓達到開啓電壓UGS(th),漏極電流開始上升;由于漏源等效的輸出電容Coss會對MOS管容性放電,漏極電流ID上升,漏源電壓下降;同時受反饋電容Crss的影響G驅動電壓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已經達到穩態幅值,但Coss的電壓尚大,電流還會上沖;

4)t3~t4期間:t3瞬時,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驅動電壓略有回落,維持漏極電流所需的驅動電壓值,保持平衡;

5)t4之後:t4瞬時,Coss的電荷放完,漏源電壓近似爲零,並保持不變;反饋消失。Vgs升高到開路脈沖,進入穩態導通期。

由此MOS管开通过程可看,漏极电流在QG波形的QGD阶段出现,由于受极间电容的影响,VDS电压失去了线性的过程,所以一方面在漏极电流出现的过程,该段漏极电压依然很高,漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍,这就造成了MOS管功率损耗的增加。另一方面开关导通时,由于受受 “Miller”电荷的影响,电容Cgs充电需花费较长时间,Vgs长时间上升速率特别平缓,(低于开路脉冲),这种情况造成MOS管的损耗很大并产生大量热量、降低了开关效率。

MOS管开关损耗


損耗來源

通过对MOS管特性的分析可以看出,MOS管并不是单纯的电压控制器件。它的开启和开关速度与电流有关,它取决于驱动电路是否能够在它需要时提供足够的电流,使电容Cgs快速充电。由于在第二段时,受“Miller”电荷及极间电容的影响,电容充电需要较长时间,造成MOS管开关损耗增加,产生大量的热量。同时由于VDS电压失去了线性的过程,开关导通时漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍,这将造成功率损耗增加。在这整个过程中,MOSF管的开关损耗和功率损耗都增加,这就很容易造成MOS管的烧毁。所以在第二段迫切要求栅极驱动能够提供足够的电流,在短时间内为第二段曲线对应的栅极电容Cgs充电,使MOS管迅速地开启。同时,要提供一个合理的 Vgs最佳平台电压(也就是总的QG),在此过程控制VDS电压的线性度,使电流的变化和漏极电压变化率相等,减少功率损耗。利用MOS管及分立器件实现-48 V电源缓启动需要优化电路设计,既要提供栅极电流,又要控制好漏源电压的线性度,从而控制漏极冲击电流,以减少MOS管的损耗。


減少MOS管損耗的方法

減小開關損耗一方面要盡可能地制造出具有理想開關特性的器件,另一方面利用新的線路技術改變器件開關時期的波形,如:晶體管緩沖電路,諧振電路,和軟開關技術等。

(1)晶體管緩沖電路(即加吸收網絡技術)

早期电源多采用此线路技术。采用此电路, 功率损耗虽有所减小,但仍不是很理想。①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感, 加反向恢复时间快的二极管,利用饱和电感阻碍电流变化的特性, 限制电流上升的速率,使电流与电压的波形尽可能小地重叠。②减少截止损耗加R 、C 吸收网络, 推迟变压器反激电压发生时间, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率损耗为0。该电路利用电容上电压不能突变的特性,推迟反激电压发生时间。为了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此电路有明显缺点:因为电阻的存在,导致吸收网络有损耗 。

(2)諧振電路

该电路只改变开关瞬间电流波形,不改变导通时电流波形。只要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和变压器漏感, 就能保证电压为0时,开关管导通或截止。因此, 采用谐振技术可使开关损耗很小。所以, SWITCHTEC 电源开关频率可以做到术结构380kHz的高频率。

(3)軟開關技術

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。



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