MOS管知識|MOS管功率損耗如何測試？-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-11-20
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)動負載，帶載能力要強。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），用于功率輸出級的器件。
功率MOSFET可分為增強型和耗盡型，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)來定義導(dǎo)通阻抗;對ORing FET應(yīng)用來說，RDS（ON）也是最重要的器件特性。
數(shù)據(jù)手冊定義RDS（ON）與柵極（或驅(qū)動）電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS（ON）是一個相對靜態(tài)參數(shù)。
若設(shè)計人員試圖開發(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)計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。
在許多情況下，設(shè)計人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS（ON）。在DC電路中，并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個并聯(lián)的2Ω電阻相當于一個1Ω的電阻。
因此，一般來說，一個低RDS（ON）值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計人員把電源中所用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MOS管參數(shù)也對電源設(shè)計人員非常重要。許多情況下，設(shè)計人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)（SOA）曲線，該曲線同時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。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。
MOSFET在關(guān)斷瞬間，會承受到最大的電壓沖擊，這個最大電壓跟負載有很大關(guān)系：如果是阻性負載，那就是來自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，需要在前級加些必要的保護措施;
如果是感性負載，那承受的電壓會大不少，因為電感在關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生感生電動勢（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與感生電動勢之和;如果是變壓器負載的話，在感性負載基礎(chǔ)上還需要再加上漏感引起的感應(yīng)電動勢。
對于以上幾種負載情況，在計算出（或測出）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，可以選擇在感性負載上并聯(lián)續(xù)流二極管與電感在關(guān)斷時構(gòu)成續(xù)流回路，釋放掉感生能量來保護MOSFET，如果必要，還可以再加上RC緩沖電路（Snubber）來抑制電壓尖峰。（注意二極管方向不要接反。當然，也可以直接選擇VDS足夠大的MOSFET。）
額定電壓確定后，電流就可以計算出來了。但這里需要考慮兩個參數(shù)：一個是連續(xù)工作電流值和脈沖電流尖峰值（Spike和Surge），這兩個參數(shù)決定你應(yīng)該選多大的額定電流值。
MOSFET/IGBT的開關(guān)損耗測試是電源調(diào)試中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，但很多工程師對開關(guān)損耗的測量還停留在人工計算的感性認知上，PFC MOSFET的開關(guān)損耗更是只能依據(jù)口口相傳的經(jīng)驗反復(fù)摸索，那么該如何量化評估呢？
1.MOS管功率損耗的原理圖和實測圖
一般來說，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。
MOSFET和PFC MOSFET的測試區(qū)別
對于普通MOS管來說，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量一個周期即可。
但對于PFC MOS管來說，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準確評估依賴較長時間（一般大于10ms），較高采樣率（推薦1G采樣率）的波形捕獲，此時需要的存儲深度推薦在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算，實測截圖如圖3所示。
開關(guān)損耗測試對于器件評估非常關(guān)鍵，通過示波器的電源分析軟件，可以對器件的功率損耗進行評估。
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