MOS管開關損耗-MOS管開關損耗的原因分析及減少損耗的方法介紹-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-07-07
開關損耗包括導通損耗和截止損耗。導通損耗指功率管從截止到導通時,所產生的功率損耗。截止損耗指功率管從導通到截止時,所產生的功率損耗。開關損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開關（Hard-Switching）和軟開關（Soft-Switching）中討論。所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關管在開通時，開關管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間內，開關管的電流和電壓有一個交疊區，會產生損耗，這個損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關斷損耗產生的原因，這里不再贅述。開關損耗另一個意思是指在開關電源中，對大的MOS管進行開關操作時，需要對寄生電容充放電，這樣也會引起損耗。
公司網絡、數據及無線基站產品各單板都采用通過簡單的改變RC充電回路中R和C值，產生一個漸變的電壓控制一個在一定電壓下導通的開關MOS管，來導通輸入直流-48V電壓進而減少熱插拔過程的浪涌電流。但是因為對于MOS管本身內部結構、開關過程和損耗了解不全面，造成了大批MOS管失效的案例。筆者通過對公司各產品直流-48V緩啟動電路MOS管失效情況分析和統計發現，MOS管的失效在公司各產品事業部都有發生，失效問題數量比較多，但失效原因卻比較單一，都是由于短時過功率燒毀。失效案例中同時也提出了改善對策，需要我們改進目前-48 V DC緩啟動電路的驅動設計減少MOS管開關過程的損耗，避免MOS管失效問題的再次發生。
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的物理參數，它可以表示為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。如圖所示，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也稱為“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(通常稱為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管導通過程中可分為明顯的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產生了非線性特性，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結構的絕緣層形成的;Cds為漏源電容，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)產生的“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，產生的熱量越多、效率越低。
3 、MOS管的導通過程
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管的導通過程可分為如下幾個階段，如圖所示：
1)t0～t1期間：驅動電壓從零上升，經rG對圖3 MOSFET等效結構中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，MOS管的柵源電壓達到開啟電壓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之后：t4瞬時，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，進入穩態導通期。
由此MOS管開通過程可看，漏極電流在QG波形的QGD階段出現，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。另一方面開關導通時，由于受受 “Miller”電荷的影響，電容Cgs充電需花費較長時間，Vgs長時間上升速率特別平緩，(低于開路脈沖)，這種情況造成MOS管的損耗很大并產生大量熱量、降低了開關效率。
通過對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。它的開啟和開關速度與電流有關，它取決于驅動電路是否能夠在它需要時提供足夠的電流，使電容Cgs快速充電。由于在第二段時，受“Miller”電荷及極間電容的影響，電容充電需要較長時間，造成MOS管開關損耗增加，產生大量的熱量。同時由于VDS電壓失去了線性的過程，開關導通時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。在這整個過程中，MOSF管的開關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動能夠提供足夠的電流，在短時間內為第二段曲線對應的柵極電容Cgs充電，使MOS管迅速地開啟。同時，要提供一個合理的 Vgs最佳平臺電壓(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管及分立器件實現-48 V電源緩啟動需要優化電路設計，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MOS管的損耗。
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)
早期電源多采用此線路技術。采用此電路, 功率損耗雖有所減小,但仍不是很理想。①減少導通損耗在變壓器次級線圈后面加飽和電感, 加反向恢復時間快的二極管,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 吸收網絡, 推遲變壓器反激電壓發生時間, 最好在電流為0時產生反激電壓,此時功率損耗為0。該電路利用電容上電壓不能突變的特性,推遲反激電壓發生時間。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:因為電阻的存在,導致吸收網絡有損耗 。
(2)諧振電路
該電路只改變開關瞬間電流波形,不改變導通時電流波形。只要選擇好合適的L 、C ,結合二極管結電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時,開關管導通或截止。因此, 采用諧振技術可使開關損耗很小。所以, SWITCHTEC 電源開關頻率可以做到術結構380kHz的高頻率。
(3)軟開關技術
該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關管導通時起鉗位作用, 并構成瀉放回路, 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, 當電壓比較大的時侯, 電流已經為0。
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