MOS管典型問題分析

1.MOS管為什么會發熱？哪些時刻在發熱？怎么做才能不發熱？

（1）MOS管工作在線性的工作狀態，而沒有在開關狀態。

（2）頻率太高，MOS管上的損耗增大了，所以發熱也加大了。

（3）電流太高，沒有做好足夠的散熱設計，MOS管標稱的電流值，一般需要較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。

2.MOS管為什么會損壞？過流損壞是什么現象？過壓損壞時什么現象？

（1）過流

持續大電流或瞬間超大電流引起的結溫過高而燒毀。

（2）過壓與靜電

MOS管一個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或靜電的感應而帶電（少量電荷就可能在極間電容上形成相當高的電壓（想想U=Q/C）將管子損壞），又因在靜電較強的場合難于泄放電荷，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，造成柵極開路或者是源極開路。

靜電放電形成的是短時大電流，放電脈沖的時間常數遠小于器件散熱的時間常數。因此，當靜電放電電流通過面積很小的pn結或肖特基結時，將產生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部結溫達到甚至超過材料的本征溫度（如硅的熔點1415℃），使結區局部或多處熔化導致pn結短路，器件徹底失效。這種失效的發生與否，主要取決于器件內部區域的功率密度，功率密度越小，說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 有電場存在，與大地有電位差；

③ 會產生放電電流。

這三種情形即ESD一般會對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 因電場或電流破壞元件絕緣層和導體，使元件不能工作（完 全破壞）；

③ 因瞬間的電場軟擊穿或電流產生過熱，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，必能在生產及品質測試中被察覺而排除，影響較少。如果元件輕微受損，在正常測試中不易被發現，在這種情形下，常會因經過多次加工，甚至已在使用時，才被發現破壞，不但檢查不易，而且損失亦難以預測。

3.MOS管有哪幾種工作狀態？導通如何判斷是工作在可變電阻區還是恒流區？有什么區別？

（1）可變電阻區（也稱非飽和區）

在滿足Ugs》Uthgs（開啟電壓），且Uds《ugs-uthgs時，為圖中預夾斷軌跡左邊的區域其溝道開啟。在該區域uds值較小，溝道電阻基本上僅受ugs控制。當ugs一定時，id與uds成線性關系，該區域近似為一組直線。這時場效管d、s間相當于一個受電壓ugs控制的可變電阻。《 p=“”》《/ugs-uthgs時，為圖中預夾斷軌跡左邊的區域其溝道開啟。在該區域uds值較小，溝道電阻基本上僅受ugs控制。當ugs一定時，id與uds成線性關系，該區域近似為一組直線。這時場效管d、s間相當于一個受電壓ugs控制的可變電阻。《》

（2）恒流區（也稱飽和區、放大區、有源區）

在滿足Ugs》Uthgs（開啟電壓），且Uds≥Ugs-Uthgs時，為圖中預夾斷軌跡右邊、但尚未擊穿的區域，在該區域內，當Ugs一定時，Id幾乎不隨Uds而變化，呈恒流特性。Id僅受Ugs控制，這時場效應管D、S間相當于一個受電壓Ugs控制的電流源。場效應管用于放大電路時，一般就工作在該區域，所以也稱為放大區。

（3）夾斷區（也稱截止區）

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

（4）擊穿區位

擊穿區位于圖中右邊的區域。隨著Uds的不斷增大，pn結因承受太大的反向電壓而擊穿，Id急劇增加。工作時應避免管子工作在擊穿區。

4.MOS管的導通和關閉，是不是越快越好？增加緩啟動電流有什么影響？

（1）開關損耗

通常MOSFET工作于開關狀態，在截止區和完全導通區之間高頻切換，由于在切換過程中要經過線性區，因此產生開關損耗。

通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

（2）緩啟動對電流影響

系統在上電的時候往往意味著電源線插拔，或者開關的撥動，這種人為的動作在我們看來只是一瞬間（ms級），但是對于機器來說是一段很長的時間（夠電路開關機好幾次了），并且伴隨著不穩定（手抖、機械振動等等），為系統帶來不安定因素，因此我們希望系統在渡過這段時間后在進行工作，即延時上電。

為了防止沖擊電流，由于負載端電容往往都比較大，加上負載本身的功率損耗，因此在導通的瞬間會從源端吸收很大的電流，而我們電源往往都是有響應時間或者是功率上限的，當這個電流瞬間增大的時候，對電源來說意味著輸出的功率要提高，當電源本身輸出能力還未響應過來的時候（可以理解為此時功率不變），輸出電流需要增大，那么相應的輸出電壓就只能減小，如果這個電壓減小幅度過大，超過了器件正常工作電壓，那么器件就會停止工作，進而導致系統異常。另一方面，沖擊電流過大還可能導致器件損壞。

緩啟電路的直觀作用有兩個：延時電源輸出時間、改變輸出電流上升斜率。

5.MOS管開關快慢為什么會引起米勒震蕩？米勒震蕩和發熱問題該如何權衡？

（1）米勒震蕩

MOS管的等效電路與應用電路如下圖所示：

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

從運放這張圖中，可以一眼看出，這就是一個反相積分電路，當輸入電阻較大時，開關速度比較緩慢，Cgd這顆積分電容影響不明顯，但是當開關速度比較高，而且VDD供電電壓比較高，比如310V下，通過Cgd的電流比較大，強的積分很容易引起振蕩，這個振蕩叫米勒振蕩。

所以Cgd也叫米勒電容，而在MOS管開關導通或者關斷的那段時間，也就是積分那段時間，叫米勒平臺。

米勒振蕩的本質是因為在高壓和高速開關下，注意是高壓和高速開關下，MOS管在高壓高速開關下，就是一個典型的高增益負反饋系統，負反饋特別嚴重，高增益負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，反饋相位接近270度。

負反饋180度是穩定點，360度是振蕩點，270度處于穩定與振蕩點之間，所以強的負反饋會表現為衰減式振蕩。（通俗的理解：輸入因為有電感和電阻的限流，高壓下反饋突變信號通過電容，因為不平衡引起振蕩。）

相同條件下，低壓下因為負反饋沒有這么劇烈，所以米勒振蕩會很小，一般高頻電源先用低壓100V測試，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 減緩驅動強度

a.提高MOS管G極的輸入串聯電阻，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，開關速度越緩。

b.在MOS管GS之間并聯瓷片電容，一般容量在1nF~10nF附近。看實際需求。

c.調節電阻電容值，提高電阻和電容，降低充放電時間，減緩開關的邊沿速度，這個方式特別適合于硬開關電路，消除硬開關引起的振蕩。

② 加強關閉能力

a.差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

b.當第一種方案不足時，關閉時直接把GS短路

c.當第二種方案不足時，引入負壓確保關斷。

③ 增加DS電容

在ZVS軟開關電路中，比如UC3875移相電路中，MOS管DS之間，往往并聯無感CBB小電容，一般容量在10nF以內，不能太大，有利于米勒振蕩，注意該電容的發熱量，頻率更高的時候，需要用云母電容。

④ 提高漏極電感方式

a.在漏極串聯鎳鋅磁珠，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電流的場合，否則該磁珠就發熱太高而失效。

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

（2）米勒震蕩與發熱

開關慢不容易米勒震蕩，但開關損耗大，管子發熱大，開關速度快理論上開關損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很嚴重，可能在米勒平臺就燒管子了），反而開關損耗也大。

所謂開關損耗是指MOS管在開通和關斷過程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。

由前述MOS管導通過程可知，開關損耗主要集中在t1~t3時間段內。而米勒平臺時間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開關損耗中所占比例最大，因此米勒電容Crss及所對應的Qgd在MOS管的開關損耗中起主導作用。

因此對于MOS管的選型，不僅需要考慮柵極電荷Qg和柵極電阻Rg，也需要同時考慮Crss（Cgd）的大小，其同時也會在規格書的上升時間tr和下降時間tf參數上有間接反映，MOS管的關鍵參數如下圖所示：

MOS管的各種損耗可以通過以下公式近似估算：

開關損耗：

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

系數0.5是因為將MOS管導通曲線看成是近似線性，折算成面積功率，系數就是0.5；Vin是輸入電壓，Io是輸出電流；tr和tf是MOS管的上升時間和下降時間，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%的時間，可以近似看作米勒平臺的持續時間，即上圖中的（t3-t2）。

另外，規格書中的td（on）和td（off）可以近似看作是Vgs電壓從0開始上升到米勒平臺電壓的時間，即上圖中的t2。

根據上述的開關損耗公式可以計算出損耗功率，參照MOS管的功率溫升系數，可計算出開關損耗溫度，設計中保證好合理的開關損耗溫度即可防止MOS管過熱損壞。

審核編輯：郭婷