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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

信息来源:本站 日期:2018-07-07 

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开关损耗的简介

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管在开关应用过程中的问题

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管的开关损耗

1、 栅极电荷QG

在MOS管中,栅极电荷决定于栅极氧化层的厚度及其它与裸片布线有关的物理参数,它可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分MOS管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。图所示,是栅极电压和栅极电荷之间的关系,从中可以看到栅极电荷的非线性特性。这条曲线的斜率可用来估计栅极电容Cgs的数值。曲线的第一段是线性的,QGS是使栅极电压从0升到门限值所需电荷,此时漏极电流出现,漏极电压开始下降;此段栅极电容Cgs就是Cgs。曲线的第二段是水平的,栅极到漏极电荷QGD是漏极电压下降时克服“Miller”效应所需电荷,所以栅极到漏极电荷QGD也称为“Miller”电荷。此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降。这一段的栅极电容是Cgs加上Cgd的影响(通常称为Miller效应)。通过观察栅极电压UGS和栅极电荷QG之间的关系可以看出,寄生的栅极电荷QG值虽然很小,但是在MOS管导通过程中可分为明显的3个阶段;同时,由于受栅极到漏极电荷QGD即“Miller”电荷的影响使栅极电荷产生了非线性特性,也影响了栅极电压UGS的线性升高。

MOS管开关损耗


2、MOS管的极间电容

MOS管其内部极间电容主要有Cgs、Cgd和Cds。并且Cgs>>Cds>>Cgd。其中Cgs为栅源电容、Cgd为栅漏电容,它们是由Mos结构的绝缘层形成的;Cds为漏源电容,由PN结构成。MOS管极间电容等效电路如图2所示。MOS管管的极间电容栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds可以由以下公式确定:

Cgd=Crss

Cgs=Ciss-Crss

Cds=Coss-Crss

公式中Ciss、Coss、和Crss分别是MOS管的输入电容、输出电容和反馈电容。它们的数值可以在MOS管的手册上查到。

通过观察MOS管极间电容和寄生栅极电荷QG,可以看到,MOS管极间电容是由其导电沟道结构及工艺决定,固有的。由于存在反馈电容及栅极到漏极电荷QGD,QGD的大部分用来减小UDS从关断电压到UGS(th)产生的“Miller”效应,此时Vds尚未达到Vsat。对曲线水平段所对应的电容Cgs充电所花费的时间越长,Vgs维持在一个恒定电压上的时间也就越长,MOS管达到饱和状态所需的时间也就越长。这种情况相应的MOS管的能量损耗也越大,产生的热量越多、效率越低。

MOS管开关损耗


3 、MOS管的导通过程

MOS管极间电容是影响开关时间的主要因素。由于受极问电容的影响,MOS管的导通过程可分为如下几个阶段,如图所示:

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期间:t1瞬时,MOS管的栅源电压达到开启电压UGS(th),漏极电流开始上升;由于漏源等效的输出电容Coss会对MOS管容性放电,漏极电流ID上升,漏源电压下降;同时受反馈电容Crss的影响G驱动电压Vgs的上升速率特别平缓,(低于开路脉冲);

3)t2~t3期间:t2瞬间,漏极电流ID已经达到稳态幅值,但Coss的电压尚大,电流还会上冲;

4)t3~t4期间:t3瞬时,Coss在漏极峰值电流放电下,漏极电压迅速下降,受反馈电容Crss的影响G驱动电压略有回落,维持漏极电流所需的驱动电压值,保持平衡;

5)t4之后:t4瞬时,Coss的电荷放完,漏源电压近似为零,并保持不变;反馈消失。Vgs升高到开路脉冲,进入稳态导通期。

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


损耗来源

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。


减少MOS管损耗的方法

减小开关损耗一方面要尽可能地制造出具有理想开关特性的器件,另一方面利用新的线路技术改变器件开关时期的波形,如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关技术等。

(1)晶体管缓冲电路(即加吸收网络技术)

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)谐振电路

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)软开关技术

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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