深入解析 MOS 在控制器电路中的工作状态及损耗问题

出处:网络整理 发布于:2026-06-01 15:17:13

  在控制器电路中,MOS(金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管)扮演着至关重要的角色。MOS 的工作状态主要分为开通过程(由截止到导通的过渡过程)、导通状态、关断过程(由导通到截止的过渡过程)以及截止状态。
  MOS 的主要损耗也与这几个工作状态相对应,包括开关损耗(开通过程和关断过程)、导通损耗、截止损耗(由漏电流引起,通常可忽略不计)以及雪崩能量损耗。只要将这些损耗控制在 MOS 的承受规格之内,MOS 就能正常工作;一旦超出承受范围,MOS 就会发生损坏。一般来说,开关损耗往往大于导通状态损耗,而且不同的 MOS 器件,这种差距可能会非常大。
  MOS 损坏的主要原因有以下几点:
  过流:持续的大电流或瞬间的超大电流会导致结温过高,从而烧毁 MOS。
  过压:包括源漏过压击穿和源栅极过压击穿。
  静电:作为 CMOS 电路,MOS 对静电非常敏感,静电击穿是常见的损坏原因之一。
  MOS 的开关原理相对简要。MOS 是电压驱动型器件,只要在栅极和源级间施加一个适当的电压,源级和漏级间就会形成通路。这个电流通路的电阻被称为 MOS 内阻,即导通电阻 <Rds (on)>。内阻的大小基本决定了 MOS 芯片能承受的导通电流(当然还与其他因素有关,其中热阻的影响为关键),内阻越小,MOS 所能承受的电流就越大,因为内阻小意味着发热少。
  然而,MOS 的问题远没有这么简单。在 MOS 的内部,栅极和源级间、源级和漏级间、栅极和漏级间都存在等效电容。给栅极施加电压的过程实际上就是给电容充电的过程,由于电容电压不能突变,所以 MOS 源级和漏级间由截止到导通的开通过程会受到栅极电容充电过程的制约。
  这三个等效电容构成了串并联组合关系,它们相互影响,并非独立存在。其中,栅极和漏级间的电容 Cgd 是一个关键电容,业界称之为米勒电容。这个电容并非恒定不变,它会随着栅极和漏级间电压的变化而迅速改变。米勒电容是栅极和源级电容充电的阻碍,当栅极给栅 - 源电容 Cgs 充电达到一个平台后,栅极的充电电流必须给米勒电容 Cgd 充电。此时,栅极和源级间的电压不再升高,达到一个平台,这就是米勒平台(米勒平台实际上就是给 Cgd 充电的过程)。米勒平台容易引发的问题就是米勒振荡。也就是说,栅极先给 Cgs 充电,到达一定平台后再给 Cgd 充电。
  在这个过程中,源级和漏级间的电压会迅速变化,内部电容相应地迅速充放电,这些电流脉冲会导致 MOS 寄生电感产生很大的感抗。电容、电感、电阻组成了振荡电路(能形成 2 个回路),并且电流脉冲越强、频率越高,振荡幅度就越大。因此,关键的问题就是如何过渡米勒平台。
  在 Gs 极加电容可以减慢 MOS 管的导通时间,有助于减小米勒振荡,防止 MOS 管烧毁。但是,过快的充电会导致激烈的米勒震荡,而过慢的充电虽然减小了震荡,但会延长开关时间,从而增加开关损耗。MOS 开通过程中,源级和漏级间的等效电阻相当于从无穷大电阻转变为阻值很小的导通内阻(一般低压 MOS 的导通内阻只有几毫欧姆)。
  例如,一个电流为 100A、电池电压为 96V 的 MOS,在开通过程中,刚进入米勒平台的一瞬间,MOS 的发热功率达到 P = V * I(此时电流已达,负载尚未跑起来,所有的功率都降落在 MOS 管上),即 P = 96 * 100 = 9600W!这时它的发热功率,然后发热功率会迅速降低,直到完全导通时功率变为 100 * 100 * 0.003 = 30W(这里假设这个 MOS 的导通内阻为 3 毫欧姆)。开关过程中,这个发热功率的变化非常惊人。
  如果开通时间慢,意味着发热从 9600W 到 30W 的过渡过程会变慢,MOS 的结温会显著升高。所以,开关越慢,结温越高,MOS 就越容易烧毁。为了避免 MOS 烧毁,只能降低 MOS 的限流或者降低电池电压。比如将电流限制在 50A 或者将电池电压降低一半至 48V,这样开关发热损耗也会降低一半,从而避免管子烧毁。
  这也是高压控制器容易烧管子的原因。高压控制器和低压控制器的区别主要在于开关损耗(开关损耗和电池端电压基本成正比,假设限流一样),而导通损耗完全由 MOS 内阻决定,与电池电压无关。
  实际上,整个 MOS 开通过程非常复杂,涉及的变量众多。总的来说,开关速度慢不容易产生米勒震荡,但开关损耗大,管子发热严重;开关速度快理论上开关损耗低(只要能有效抑制米勒震荡),但往往米勒震荡会很厉害(如果米勒震荡非常严重,可能在米勒平台就会烧毁管子),反而开关损耗也会增大,并且上臂 MOS 的震荡更有可能引起下臂 MOS 误导通,形成上下臂短路。
  因此,这对设计师的驱动电路布线和主回路布线技能提出了很高的要求。终需要找到一个平衡点(一般开通过程不超过 1us)。开通损耗简单,只与导通电阻成正比,若想实现大电流低损耗,就需要选择内阻低的 MOS。
  下面简要说明 MOS 挑选的重要参数,以 datasheet 为例:
  栅极电荷:
  Qgs:指的是栅极从 0V 充电到对应电流米勒平台时的总充入电荷(实际电流不同,这个平台高度不同,电流越大,平台越高,这个值越大)。这个阶段是给 Cgs 充电(也相当于 Ciss,输入电容)。
  Qgd:指的是整个米勒平台的总充电电荷(在这称为米勒电荷)。这个过程是给 Cgd(Crss,这个电容随着 gd 电压不同迅速变化)充电。
  以型号 stp75nf75 为例,普通 75 管的 Qgs 是 27nC,Qgd 是 47nC。结合它的充电曲线,进入平台前给 Cgs 充电,总电荷 Qgs 为 27nC,平台米勒电荷 Qgd 为 47nC。
  在开关过程中,MOS 主要的发热区间是粗红色标注的阶段。从 Vgs 开始超过阈值电压,到米勒平台结束是主要发热区间。其中,米勒平台结束后,MOS 基本完全打开,此时的损耗主要是导通损耗(MOS 内阻越低,损耗越低)。在阈值电压前,MOS 没有打开,几乎没有损耗(只有漏电流引起的一点损耗)。而在红色拐弯地方,损耗(Qgs 充电将近结束,快到米勒平台和刚进入米勒平台这个过程发热功率,用更粗线表示)。
  所以,在一定的充电电流下,红色标注区间总电荷小的管子会更快地度过这个阶段,这样发热区间的时间就短,总发热量就低。因此,理论上选择 Qgs 和 Qgd 小的 MOS 管能够快速通过开关区。
  2. 导通内阻:Rds(on)。在耐压一定的情况下,导通内阻越低越好。不过,不同厂家标注的内阻是在不同的测试条件下得到的,测试条件不同,内阻测量值也会不一样。同一管子,温度越高,内阻越大(这是硅半导体材料在 MOS 制造工艺中的特性,难以改变,但可以稍作改善)。所以,大电流测试时内阻会增大(大电流下结温会显著升高),小电流或脉冲电流测试时,内阻会降低(因为结温没有大幅升高,没有热积累)。有些管子标称的典型内阻和用小电流测试的结果几乎一样,而有些管子用小电流测试的内阻比标称典型内阻低很多(因为厂家的测试标准是大电流)。
关键词:MOS

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