MOSFET工作原理

 

什么是MOSFET？MOSFET是全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，即金屬氧化物半導體場效應晶體管的半導體。
 

它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型通常稱P溝道型。如圖1所示，對于N溝道型的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P溝道的場效應管，如圖2所示，其源極和漏極則接在P型半導體上。無論N型或者P型MOS管，其工作原理是一樣的，都是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流 (或稱輸入回路的電場效應)，故可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應管的原因。

 

當MOSFET處于工作狀態(tài)時，MOSFET截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。

 

圖1 N溝道型MOSFET

 

圖2 P溝道型MOSFET

 

MOSFET發(fā)熱影響因素

 

MOS管的數(shù)據(jù)手冊中通常有以下參數(shù)：導通阻抗RDS（ON），柵極（或驅(qū)動）電壓 VGS 以及流經(jīng)開關的電流漏源極電流ID，RDS（ON）與柵極（或驅(qū)動） 電壓VGS 以及流經(jīng)開關的電流有關，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS（ON）是一個相對靜態(tài)參數(shù)。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)熱。除此之外，慢慢升高的結(jié)溫也會導致RDS（ON）的增加。隨著RDS的增加，導致功率管的損耗增加，從而導致發(fā)熱現(xiàn)象，這也是MOSFET發(fā)熱的根本原因。

 

那么總結(jié)導致發(fā)熱的主要因素主要有以下幾點：

 

●    電路設計問題，MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關狀態(tài)，MOS管導通過程時間過長導致，如圖3所示為開關管導通過程。例如：讓N-MOS做開關，G級電壓就要比電源高幾V才能完全導通，而P-MOS則相反。沒有完全導通，由于等效直流阻抗較大，所以壓降增大，Vds*Id也增大，從而造成損耗過大導致發(fā)熱。

 

●    功率管的驅(qū)動頻率太高，頻率與導通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時，首先要想想是不是頻率選擇的有點高。主要是有時過分追求體積，導致頻率提高，MOS管上的損耗增大。

 

●    功率管選型不當，導通阻抗(RDS(ON))確實是最為關鍵品質(zhì)因數(shù)，然而開關損耗與功率管的cgd和cgs也有關，大部分工程師會優(yōu)先選用低導通電阻的MOS管，然而內(nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大，所以選擇功率管時夠用就行，不能選擇太小的內(nèi)阻。

 

●    通過漏極和源極的導通電流ID過大，造成這樣的原因主要是沒有做好足夠的散熱設計，MOS管標稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。

 

圖3 開關管導通過程

 

如何測試功率損耗？

 

為了解決MOS管發(fā)熱問題，要準確判斷是否是以上幾種原因造成，更重要的是對開關管功率損耗進行正確的測試，才能發(fā)現(xiàn)問題所在，從而找對改善的關鍵點。那么我們可以通過示波器來觀看開關管波形，來判斷驅(qū)動頻率是否過高，以及測試G極驅(qū)動電壓的大小、通過漏源極的Id電流大小等，并直接測試出開關管的功率損耗。

 

MOS管工作狀態(tài)有四種，開通過程、導通狀態(tài)、關斷過程，截止狀態(tài)。

 

MOS管主要損耗：開關損耗，導通損耗，截止損耗，還有能量損耗，開關損耗往往大于后者，小部分能量體現(xiàn)在“導通狀態(tài)”，而“關閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。具體使用下面公式計算：

 

 

圖4 MOS管工作全過程

 

圖5 MOSFET導通功耗波形

 

通過示波器的電源測試軟件中的開關損耗測試功能，可得到以下開關管的功率損耗測試結(jié)果，如圖6。通過結(jié)果我們可以判斷開關管的具體通斷波形以及電壓、電流值，并得到整個開關過程中開啟、關閉過程以及導通部分的損耗，從而可以判斷出有問題的部分，進行排查改善。

 

圖6 開關管波形實際測試圖

 

致遠電子ZDS5000示波器內(nèi)部集成了電源測試軟件，可以直接對開關管的MOSFET進行全過程各個部分的功率損耗測試。對于某些開關元器件，開關周期損耗不盡相同，且開關管開通和關斷時間很短，如Boost-PFC，因此不能用通過測量一個開關周期（如80KHz）評估整體損耗。ZDS5000系列示波器有512M的存儲深度，可以對PFC等高速功率管進行高采樣率的半波分析，因此能夠測量的更準確，如圖7所示。

 

圖7 PFC半周波測試

 

 

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