MOS管知識(shí)|MOS管功率損耗如何測(cè)試？-KIA MOS管

MOS管功率損耗如何測(cè)試

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。功率MOSFET是較常使用的一類功率器件。

“MOSFET”是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。

它是由金屬、氧化物（SiO2或SiN）及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。所謂功率MOSFET（PowerMOSFET）是指它能輸出較大的工作電流（幾安到幾十安），用于功率輸出級(jí)的器件。

功率MOSFET可分為增強(qiáng)型和耗盡型，按溝道分又可分為N溝道型和P溝道型。

做開關(guān)電源，常用功率MOSFET。一般而言，MOS管制造商采用RDS（ON）參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗;對(duì)ORing FET應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS（ON）也是最重要的器件特性。

數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS（ON）與柵極（或驅(qū)動(dòng)）電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS（ON）是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。

若設(shè)計(jì)人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計(jì)中，每個(gè)電源常常需要多個(gè)ORing MOS管并行工作，需要多個(gè)器件來(lái)把電流傳送給負(fù)載。

在許多情況下，設(shè)計(jì)人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS（ON）。在DC電路中，并聯(lián)電阻性負(fù)載的等效阻抗小于每個(gè)負(fù)載單獨(dú)的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω電阻相當(dāng)于一個(gè)1Ω的電阻。

因此，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)低RDS（ON）值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計(jì)人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。

除了RDS（ON）之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個(gè)MOS管參數(shù)也對(duì)電源設(shè)計(jì)人員非常重要。許多情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)上的安全工作區(qū)（SOA）曲線，該曲線同時(shí)描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。

基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORingFET應(yīng)用中，首要問題是：在“完全導(dǎo)通狀態(tài)”下FET的電流傳送能力。實(shí)際上無(wú)需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

MOSFET在關(guān)斷瞬間，會(huì)承受到最大的電壓沖擊，這個(gè)最大電壓跟負(fù)載有很大關(guān)系：如果是阻性負(fù)載，那就是來(lái)自VCC端的電壓，但還需要考慮電源本身的質(zhì)量，如果電源質(zhì)量不佳，需要在前級(jí)加些必要的保護(hù)措施;

如果是感性負(fù)載，那承受的電壓會(huì)大不少，因?yàn)殡姼性陉P(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)（電磁感應(yīng)定律），其方向與VCC方向相同（楞次定律），承受的最大電壓為VCC與感生電動(dòng)勢(shì)之和;如果是變壓器負(fù)載的話，在感性負(fù)載基礎(chǔ)上還需要再加上漏感引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)于以上幾種負(fù)載情況，在計(jì)算出（或測(cè)出）最大電壓后，再留有20%~30%的裕量，就可以確定所需要的MOSFET的額定電壓VDS值。

在這里需要說(shuō)的是，為了更好的成本和更穩(wěn)定的性能，可以選擇在感性負(fù)載上并聯(lián)續(xù)流二極管與電感在關(guān)斷時(shí)構(gòu)成續(xù)流回路，釋放掉感生能量來(lái)保護(hù)MOSFET，如果必要，還可以再加上RC緩沖電路（Snubber）來(lái)抑制電壓尖峰。（注意二極管方向不要接反。當(dāng)然，也可以直接選擇VDS足夠大的MOSFET。）

額定電壓確定后，電流就可以計(jì)算出來(lái)了。但這里需要考慮兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是連續(xù)工作電流值和脈沖電流尖峰值（Spike和Surge），這兩個(gè)參數(shù)決定你應(yīng)該選多大的額定電流值。

MOS管功率損耗怎么測(cè)？

MOSFET/IGBT的開關(guān)損耗測(cè)試是電源調(diào)試中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，但很多工程師對(duì)開關(guān)損耗的測(cè)量還停留在人工計(jì)算的感性認(rèn)知上，PFC MOSFET的開關(guān)損耗更是只能依據(jù)口口相傳的經(jīng)驗(yàn)反復(fù)摸索，那么該如何量化評(píng)估呢？

1.MOS管功率損耗的原理圖和實(shí)測(cè)圖

一般來(lái)說(shuō)，開關(guān)管工作的功率損耗原理圖如圖 1所示，主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過程”和“關(guān)閉過程”，小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”，而關(guān)閉狀態(tài)的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

MOS管功率損耗

MOSFET和PFC MOSFET的測(cè)試區(qū)別

對(duì)于普通MOS管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形幾乎完全相同，因此整體功率損耗只需要任意測(cè)量一個(gè)周期即可。

但對(duì)于PFC MOS管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準(zhǔn)確評(píng)估依賴較長(zhǎng)時(shí)間（一般大于10ms），較高采樣率（推薦1G采樣率）的波形捕獲，此時(shí)需要的存儲(chǔ)深度推薦在10M以上，并且要求所有原始數(shù)據(jù)（不能抽樣）都要參與功率損耗計(jì)算，實(shí)測(cè)截圖如圖3所示。

MOS管功率損耗