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MOS管应用介绍

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一、MOS管的分类
1) MOS管从类型看:分为NMOS和PMOS;
2) 从功率等级上看:分为逻辑MOS和功率MOS。逻辑MOS的特点是VGS门级导通电压较低,以2N7002为例,初始导通电压为1V~3V,一般参与数字电路、驱动电路等小功率场合,一般封装也较小,常见的封装为SOT-23。
3) 增强型和耗尽型的区别:增强型,栅极与衬底间不加电压时,栅极下面没有沟道存在,也就是说,对于NMOS,阈值电压大于0;PMOS,小于0;耗尽型,栅极与衬底间不加电压时,栅极下面已有沟道存在,也就是说,对于NMOS,阈值电压小于0;PMOS,大于0。目前的应用中,所有大批量应用的MOS管均为增强型,耗尽型的MOS管更多的只是停留在理论中。
二、MOS管驱动电路设计注意事项
1) 驱动电路是MOS管设计中非常重要的一个环节,目前市场上的驱动芯片也较为成熟,类型众多。
单个MOS管的驱动芯片,设计可以支持上桥臂或下桥臂代表芯片为FAN73711。
半桥驱动芯片,可以同时支持上下半桥的驱动,代表芯片有FAN7842。
三相桥臂驱动芯片,可以同时实现三个半桥驱动,一般用于直流无刷电机、交流电机的驱动电路中,代表芯片有FAN7388。
由于外围器件少,稳定性高,主流的MOS管驱动方案都会选择集成芯片进行驱动。
在上述的基础上,针对用户不同的需求,还可以在驱动芯片中加入其他辅助功能,如:使能引脚(在MOS管主回路中出现大电流时,可利用该功能实现硬件短路保护)、内置固定死区时间、可调死区时间(通过某个引脚外接电阻或电容来灵活调节死区时间)、内置自举二极管、逻辑诊断(当检测到上下桥臂同时为有效电平时,判定为输入端错误,不执行输出动作)。
目前国产半桥驱动芯片价格已经做得非常便宜,比较有代表性的是FD2103S,含税价格在0.3元左右,随着国内产品工艺日趋成熟,国产驱动芯片的竞争力将逐年增强,不断侵蚀进口驱动芯片的市场份额(价格是国产同类型芯片的5倍以上)。
2) 在低压小电流的应用场合也常常使用分立元件驱动电路,半桥电路由6个开关管和若干电阻电容组成,成本较低。但是随着国产驱动芯片的不断推广,分立元件驱动电路的市场空间越来越小。处于学习的目的,同时截图如下:

三、MOS管选型时需要注意的问题
在功率电路的设计中,MOS管、滤波电容的选型至关重要,直接关系到产品的稳定性以及性价比。这里先简单分享一下MOS管选型时的一些注意事项:
1、 耐压:所有的MOS管规格书中都会给出一个VDS值,在设计时,必须保证在任何时刻MOS管的漏源电压都小于该参数(一般情况下,需要预留10%~20%的余量)。
MOS管在高频开关的过程中,在关断瞬间会承受一定的电压尖峰,该电压尖峰的大小与PCB板上的寄生电感、滤波电容大小及位置、MOS管关断时的速度等参数有关。在设计MOS管驱动电路、Lay-out PCB时都需要注意,需要尽量减小电压尖峰。这样有两个好处(减小MOS管的电压应力、较小EMC辐射)。为了达到这个目的合理的Lay-out布局是非常关键的,需要尽量较小滤波电容与MOS管漏极之间寄生电感。其次是考虑增加MOS管的关断时间,这是一把双刃剑,这样会使得MOS管的开关损耗增加。
2、损耗:MOS管的损耗分为开关损耗和导通损耗。
导通损耗比较容易理解,也便于估算。当MOS管的门极电压大于10V,MOS管的沟道就会完全导通,此时MOS管的导通电阻Rds(on)即在规格书中厂家申明的标称值左右,其实际值与MOS管的批次有一定关系,但更多的是和温度有关,随着MOS管结温的上升,Rds(on)也随之上升,呈现负温度特性,这是MOS管与身俱来的一个优点——可以多路并联使用。
开关损耗,顾名思义就是MOS管在开通和关断时候的损耗,其形成的原理是因为MOS管在开通和关断的过程中存在一小段时间MOS管的DS之间既存在大电压又存在大电流(类似于三极管工作在放大区)。这部分的损耗估算建议采用理论计算与设计测试波形想结合的方式进行。在一些需要MOS管进行高频切换的应用中,会采用一种软开关的技术,该技术可以完全消除开关损耗且降低EMC干扰,在LLC开关电源中较为常见。
3、 热阻:热阻参数是硬件工程师容易忽略的参数之一,通过热阻、MOS管的功耗P、环境温度Ta、MOS管表面温度Tj,可以大致估算出MOS管的内部结温Tj。
在使用散热器的场合Rjc比较关键,通过估算单个MOS管的损耗,测量MOS管外表面的工作温度,来估算MOS管的内部结温Tj,具体计算公式:Tj=Tc + PRjc*。
当MOS管没有外部辅助散热措施时,利用Rja进行温度估算,具体公式为Tj=Ta + PRja*。
设计时必须保证MOS管在最高环境温度、最大负载条件下,Tj的温度小于规格书中标称的Tj(max),一般需要留有20℃的余量。在很多大功率的应用场合,由于外部散热器的尺寸不可能做的无限大,且散热能力也存在边际效应,此时挑选Rjc较小的MOS管就是一个比较理想的选择,ST、Infineon、NXP、ON的一些MOS管的Rjc可以做到0.8℃/W以下。
4、 输入电容Ciss:这个参数大家平时并不是很在意,但确实非常重要。MOS管在开通和关断时存在弥勒效应,在进行弥勒效应的过程中,MOS管的寄生电容Cgd进行充放电,如果此时Cgs过小或Cgd的充放电速度过快,就容易在MOS管的门极产生一个瞬时尖峰电压。尤其在MOS管上桥臂开通时,MOS管的下桥臂Cgd充电,由于Cgd与Cgs是串联关系,若下桥臂驱动电路不能很好的泄放Cgd的充电电流,则Ugs会被瞬间抬高,当Ugs大于MOS管的起始导通压降Ugs(th)时,下桥臂MOS管就会出现短暂打通。从而造成半桥上下桥臂MOS管直通,出现大电流,打坏MOS管。为了解决这一问题,需要从以下几个方面入手:1)增加MOS管驱动芯片Push-Pull电流的能力;2)降低MOS管开关速度;3)在MOS管的门极并联陶瓷电容(一般为4.7nF到10nF之间)。
四、量产注意事项
1、 安装扭力:在将MOS管固定到散热器时,扭力不宜过大,具体标准需要与MOS管原厂确认,一般情况下不得大于6。如果扭力过大,安装过程中会对MOS管的晶圆造成损伤,从而造成不可逆的故障。
2、 多路MOS管并联:在多路MOS管并联的场合,需要注意使用同一批次的MOS管,因为同一批次的MOS管Ugs(th)参数比较接近,造成MOS管导通时刻不一致的概率更小,从而降低故障率。
3、 绝缘导热材料:MOS管的散热臂一般均为带电设计,所以在固定散热器时需要在MOS管散热臂与散热器之间增加绝缘材料,这类材料很多,一般有推荐厚度在0.3mm以上。因为在生产中如果绝缘导热材料的厚度太薄,在MOS管与散热器之间的绝缘特性就会变差,从而出现漏电流,这类漏电流在设计中是不允许出现的。检测的方法是将MOS管固定到散热器之后,在MOS管和散热器之间打耐压,测试漏电流。
如果大家在工作、学习中遇到一些疑问,欢迎大家一起来讨论。

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