MOS管典型問(wèn)題分析

1.MOS管為什么會(huì)發(fā)熱？哪些時(shí)刻在發(fā)熱？怎么做才能不發(fā)熱？

（1）MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而沒(méi)有在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

（2）頻率太高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。

（3）電流太高，沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要較良好的散熱才能達(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。

（4）MOS管的選型有誤，對(duì)功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒(méi)有充分考慮，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)阻抗增大。

2.MOS管為什么會(huì)損壞？過(guò)流損壞是什么現(xiàn)象？過(guò)壓損壞時(shí)什么現(xiàn)象？

（1）過(guò)流

持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過(guò)高而燒毀。

（2）過(guò)壓與靜電

MOS管一個(gè)ESD敏感器件，它本身的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，所以極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電（少量電荷就可能在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（想想U(xiǎn)=Q/C）將管子損壞），又因在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。

靜電擊穿有兩種方式：

一是電壓型，即柵極的薄氧化層發(fā)生擊穿，形成針孔，使柵極和源極間短路，或者使柵極和漏極間短路；

二是功率型，即金屬化薄膜鋁條被熔斷，造成柵極開(kāi)路或者是源極開(kāi)路。

靜電放電形成的是短時(shí)大電流，放電脈沖的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于器件散熱的時(shí)間常數(shù)。因此，當(dāng)靜電放電電流通過(guò)面積很小的pn結(jié)或肖特基結(jié)時(shí)，將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度，形成局部過(guò)熱，有可能使局部結(jié)溫達(dá)到甚至超過(guò)材料的本征溫度（如硅的熔點(diǎn)1415℃），使結(jié)區(qū)局部或多處熔化導(dǎo)致pn結(jié)短路，器件徹底失效。這種失效的發(fā)生與否，主要取決于器件內(nèi)部區(qū)域的功率密度，功率密度越小，說(shuō)明器件越不易受到損傷。

靜電的基本物理特征為：

① 有吸引或排斥的力量；

② 有電場(chǎng)存在，與大地有電位差；

③ 會(huì)產(chǎn)生放電電流。

這三種情形即ESD一般會(huì)對(duì)電子元件造成以下三種情形的影響：

① 元件吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響元件的功能和壽 命；

② 因電場(chǎng)或電流破壞元件絕緣層和導(dǎo)體，使元件不能工作（完 全破壞）；

③ 因瞬間的電場(chǎng)軟擊穿或電流產(chǎn)生過(guò)熱，使元件受傷，雖然 仍能工作，但是壽命受損。

上述這三種情況中，如果元件完全破壞，必能在生產(chǎn)及品質(zhì)測(cè)試中被察覺(jué)而排除，影響較少。如果元件輕微受損，在正常測(cè)試中不易被發(fā)現(xiàn)，在這種情形下，常會(huì)因經(jīng)過(guò)多次加工，甚至已在使用時(shí)，才被發(fā)現(xiàn)破壞，不但檢查不易，而且損失亦難以預(yù)測(cè)。

3.MOS管有哪幾種工作狀態(tài)？導(dǎo)通如何判斷是工作在可變電阻區(qū)還是恒流區(qū)？有什么區(qū)別？

（1）可變電阻區(qū)（也稱非飽和區(qū)）

在滿足Ugs》Uthgs（開(kāi)啟電壓），且Uds《ugs-uthgs時(shí)，為圖中預(yù)夾斷軌跡左邊的區(qū)域其溝道開(kāi)啟。在該區(qū)域uds值較小，溝道電阻基本上僅受ugs控制。當(dāng)ugs一定時(shí)，id與uds成線性關(guān)系，該區(qū)域近似為一組直線。這時(shí)場(chǎng)效管d、s間相當(dāng)于一個(gè)受電壓ugs控制的可變電阻。《 p=“”》《/ugs-uthgs時(shí)，為圖中預(yù)夾斷軌跡左邊的區(qū)域其溝道開(kāi)啟。在該區(qū)域uds值較小，溝道電阻基本上僅受ugs控制。當(dāng)ugs一定時(shí)，id與uds成線性關(guān)系，該區(qū)域近似為一組直線。這時(shí)場(chǎng)效管d、s間相當(dāng)于一個(gè)受電壓ugs控制的可變電阻?！丁?/p>

（2）恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)、放大區(qū)、有源區(qū)）

在滿足Ugs》Uthgs（開(kāi)啟電壓），且Uds≥Ugs-Uthgs時(shí)，為圖中預(yù)夾斷軌跡右邊、但尚未擊穿的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，當(dāng)Ugs一定時(shí)，Id幾乎不隨Uds而變化，呈恒流特性。Id僅受Ugs控制，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管D、S間相當(dāng)于一個(gè)受電壓Ugs控制的電流源。場(chǎng)效應(yīng)管用于放大電路時(shí)，一般就工作在該區(qū)域，所以也稱為放大區(qū)。

（3）夾斷區(qū)（也稱截止區(qū)）

夾斷區(qū)（也稱截止區(qū)）滿足Ugs《uthgs（開(kāi)啟電壓），為圖中靠近橫軸的區(qū)域，其溝道被全部夾斷，稱為全夾斷，id=0，管子不工作?！?p=“”》《/uthgs（開(kāi)啟電壓），為圖中靠近橫軸的區(qū)域，其溝道被全部夾斷，稱為全夾斷，id=0，管子不工作?！丁?/p>

（4）擊穿區(qū)位

擊穿區(qū)位于圖中右邊的區(qū)域。隨著Uds的不斷增大，pn結(jié)因承受太大的反向電壓而擊穿，Id急劇增加。工作時(shí)應(yīng)避免管子工作在擊穿區(qū)。

4.MOS管的導(dǎo)通和關(guān)閉，是不是越快越好？增加緩啟動(dòng)電流有什么影響？

（1）開(kāi)關(guān)損耗

通常MOSFET工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)之間高頻切換，由于在切換過(guò)程中要經(jīng)過(guò)線性區(qū)，因此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。

通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

（2）緩啟動(dòng)對(duì)電流影響

系統(tǒng)在上電的時(shí)候往往意味著電源線插拔，或者開(kāi)關(guān)的撥動(dòng)，這種人為的動(dòng)作在我們看來(lái)只是一瞬間（ms級(jí)），但是對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)是一段很長(zhǎng)的時(shí)間（夠電路開(kāi)關(guān)機(jī)好幾次了），并且伴隨著不穩(wěn)定（手抖、機(jī)械振動(dòng)等等），為系統(tǒng)帶來(lái)不安定因素，因此我們希望系統(tǒng)在渡過(guò)這段時(shí)間后在進(jìn)行工作，即延時(shí)上電。

為了防止沖擊電流，由于負(fù)載端電容往往都比較大，加上負(fù)載本身的功率損耗，因此在導(dǎo)通的瞬間會(huì)從源端吸收很大的電流，而我們電源往往都是有響應(yīng)時(shí)間或者是功率上限的，當(dāng)這個(gè)電流瞬間增大的時(shí)候，對(duì)電源來(lái)說(shuō)意味著輸出的功率要提高，當(dāng)電源本身輸出能力還未響應(yīng)過(guò)來(lái)的時(shí)候（可以理解為此時(shí)功率不變），輸出電流需要增大，那么相應(yīng)的輸出電壓就只能減小，如果這個(gè)電壓減小幅度過(guò)大，超過(guò)了器件正常工作電壓，那么器件就會(huì)停止工作，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)異常。另一方面，沖擊電流過(guò)大還可能導(dǎo)致器件損壞。

緩啟電路的直觀作用有兩個(gè)：延時(shí)電源輸出時(shí)間、改變輸出電流上升斜率。

5.MOS管開(kāi)關(guān)快慢為什么會(huì)引起米勒震蕩？米勒震蕩和發(fā)熱問(wèn)題該如何權(quán)衡？

（1）米勒震蕩

MOS管的等效電路與應(yīng)用電路如下圖所示：

MOS管的輸入與輸出是相位相反，恰好180度，也就是等效于一個(gè)反相器，也可以理解為一個(gè)反相工作的運(yùn)放。如下圖所示：

從運(yùn)放這張圖中，可以一眼看出，這就是一個(gè)反相積分電路，當(dāng)輸入電阻較大時(shí)，開(kāi)關(guān)速度比較緩慢，Cgd這顆積分電容影響不明顯，但是當(dāng)開(kāi)關(guān)速度比較高，而且VDD供電電壓比較高，比如310V下，通過(guò)Cgd的電流比較大，強(qiáng)的積分很容易引起振蕩，這個(gè)振蕩叫米勒振蕩。

所以Cgd也叫米勒電容，而在MOS管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或者關(guān)斷的那段時(shí)間，也就是積分那段時(shí)間，叫米勒平臺(tái)。

米勒振蕩的本質(zhì)是因?yàn)樵?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/873/" target="_blank">高壓和高速開(kāi)關(guān)下，注意是高壓和高速開(kāi)關(guān)下，MOS管在高壓高速開(kāi)關(guān)下，就是一個(gè)典型的高增益負(fù)反饋系統(tǒng)，負(fù)反饋特別嚴(yán)重，高增益負(fù)反饋很容易引起振蕩，尤其是反饋還是電容，又引入了相位移動(dòng)，反饋相位接近270度。

負(fù)反饋180度是穩(wěn)定點(diǎn)，360度是振蕩點(diǎn)，270度處于穩(wěn)定與振蕩點(diǎn)之間，所以強(qiáng)的負(fù)反饋會(huì)表現(xiàn)為衰減式振蕩。（通俗的理解：輸入因?yàn)橛须姼泻碗娮璧南蘖鳎邏合路答佂蛔?a target="_blank">信號(hào)通過(guò)電容，因?yàn)椴黄胶庖鹫袷帯＃?/p>

相同條件下，低壓下因?yàn)樨?fù)反饋沒(méi)有這么劇烈，所以米勒振蕩會(huì)很小，一般高頻電源先用低壓100V測(cè)試，波形很好，看不到米勒振蕩，但是到了300V，波形就變差了。

如何避免米勒振蕩：

① 減緩驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

a.提高M(jìn)OS管G極的輸入串聯(lián)電阻，一般該電阻阻值在1~100歐姆之間，具體值看MOS管的特性和工作頻率，阻值越大，開(kāi)關(guān)速度越緩。

b.在MOS管GS之間并聯(lián)瓷片電容，一般容量在1nF~10nF附近?？磳?shí)際需求。

c.調(diào)節(jié)電阻電容值，提高電阻和電容，降低充放電時(shí)間，減緩開(kāi)關(guān)的邊沿速度，這個(gè)方式特別適合于硬開(kāi)關(guān)電路，消除硬開(kāi)關(guān)引起的振蕩。

② 加強(qiáng)關(guān)閉能力

a.差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

b.當(dāng)?shù)谝环N方案不足時(shí)，關(guān)閉時(shí)直接把GS短路

c.當(dāng)?shù)诙N方案不足時(shí)，引入負(fù)壓確保關(guān)斷。

③ 增加DS電容

在ZVS軟開(kāi)關(guān)電路中，比如UC3875移相電路中，MOS管DS之間，往往并聯(lián)無(wú)感CBB小電容，一般容量在10nF以內(nèi)，不能太大，有利于米勒振蕩，注意該電容的發(fā)熱量，頻率更高的時(shí)候，需要用云母電容。

④ 提高漏極電感方式

a.在漏極串聯(lián)鎳鋅磁珠，提高漏極電感，減緩漏極的電流變化，降低米勒振蕩，這個(gè)方案也是改善EMC的方法之一，效果比較明顯，但該方案不適合高頻率強(qiáng)電流的場(chǎng)合，否則該磁珠就發(fā)熱太高而失效。

b.PCB布線時(shí)，人為的引入布線電感，增長(zhǎng)MOS管漏極、源極的PCB布線長(zhǎng)度，比如方案C中，適當(dāng)提高半橋上下MOS管之間的引線，對(duì)改善米勒振蕩有很大的影響，但這個(gè)需要自身的技術(shù)水平較高，否則容易失敗，此外布線長(zhǎng)度提高，需要相應(yīng)的考慮MOS管的耐壓，嚴(yán)重的，需要加MOS管吸收電路。

（2）米勒震蕩與發(fā)熱

開(kāi)關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開(kāi)關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開(kāi)關(guān)速度快理論上開(kāi)關(guān)損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很嚴(yán)重，可能在米勒平臺(tái)就燒管子了），反而開(kāi)關(guān)損耗也大。

所謂開(kāi)關(guān)損耗是指MOS管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。

由前述MOS管導(dǎo)通過(guò)程可知，開(kāi)關(guān)損耗主要集中在t1~t3時(shí)間段內(nèi)。而米勒平臺(tái)時(shí)間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開(kāi)關(guān)損耗中所占比例最大，因此米勒電容Crss及所對(duì)應(yīng)的Qgd在MOS管的開(kāi)關(guān)損耗中起主導(dǎo)作用。

因此對(duì)于MOS管的選型，不僅需要考慮柵極電荷Qg和柵極電阻Rg，也需要同時(shí)考慮Crss（Cgd）的大小，其同時(shí)也會(huì)在規(guī)格書(shū)的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf參數(shù)上有間接反映，MOS管的關(guān)鍵參數(shù)如下圖所示：

MOS管的各種損耗可以通過(guò)以下公式近似估算：

開(kāi)關(guān)損耗：

PSW = 0.5× Vin × Io × （tr + tf） × fSW；

系數(shù)0.5是因?yàn)閷OS管導(dǎo)通曲線看成是近似線性，折算成面積功率，系數(shù)就是0.5；Vin是輸入電壓，Io是輸出電流；tr和tf是MOS管的上升時(shí)間和下降時(shí)間，分別指的是漏源電壓從90%下降到10%和漏源電壓從10%上升到90%的時(shí)間，可以近似看作米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間，即上圖中的（t3-t2）。

另外，規(guī)格書(shū)中的td（on）和td（off）可以近似看作是Vgs電壓從0開(kāi)始上升到米勒平臺(tái)電壓的時(shí)間，即上圖中的t2。

根據(jù)上述的開(kāi)關(guān)損耗公式可以計(jì)算出損耗功率，參照MOS管的功率溫升系數(shù)，可計(jì)算出開(kāi)關(guān)損耗溫度，設(shè)計(jì)中保證好合理的開(kāi)關(guān)損耗溫度即可防止MOS管過(guò)熱損壞。

審核編輯：郭婷