MOS概述及应用

MOSFET 全称 Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor 金属 氧化物 半导体型场效应管 根据沟道类型 MOS可分为N沟MOS和P沟MOS根据开启电压的正负 MOS可分为增强型和耗尽型根据工艺结构 MOS可分为水平导电结构和垂直导电结构根据应用 MOS可分为高压MOS和低压MOS我司MOS产品目前都是作为开关应用的增强型NMOS MOS分类 MOS的开关功能 MOS产品目前都用做开关 其基本功能就是通过对栅极g施加电压来控制DS间的电流 见左上示意图 g和S之间是绝缘的 S和D是同型材料 P 中间存在一沟道是与S和D相反的材料 N 当gs间施加电压存在电场时 沟道反型 由N变P 于是D到S就导通了 g端未加电时 D到S是高阻态 电流无法从D流到S 此时开关工作在关闭状态 g s间的电压大于Vth时 D到S是低阻态 电流能从D流到S 此时开关工作在导通状态 见右上标准示意图 由于S到D间存在一寄生体二极管 所以不管G端是否施加电压 电流都能从从S端流到D 垂直导电MOSFET 根据栅氧槽形状 可分成VMOS UMOS TMOS DMOS等 1001M导电结构 1001纵向剖面图 MOS主要应用范围 高压MOS 1 PC电源 2N60 4N60 10N602 节能灯 830 5A500V 840 8A500V 3 电子镇流器 830 840 5N50 4 充电器 笔记本适配器 1N60 2N60 4N60 5N60 6N60 7N60 8N60 10N60 低压MOS 5 电动工具 60N06 6 电动车 1001 1808 7 锂电池保护 8205 8 UPS 1001 1707 75N75在电动车控制器上的应用 1001M1001P1808 24V 36V 48V控制器 24V 36V 48V 60V控制器 ST75NF75LT7508NEC4145 同类竞争产品 MOS主要参数说明 BVDSS 漏源击穿电压 指MOS管关闭时 高阻态的D到S间 所能承受的最大电压 这是一项极限参数 工作时超出该值芯片将损坏 IDSS 与BVDSS具有同一性 即MOS管关闭时 D到S间在指定电压下的漏电流 该值越小越好 Rds on 即MOS管导通时 在Ids电流下DS间产生的压降Vds Rds on Vds Ids 对于工作在低频下的MOS开关 该参数是衡量MOS功耗的主要参数 一定芯片面积下 Rds on 小的BVDSS也小 Vgs th 开启电压 阈值电压 gs间的正压差大于该电压后 MOS管的DS间由高阻态转为导通态 MOS主要参数说明 EAS 单脉冲雪崩击穿能量 简单的说 反应了器件作为开关的抗冲击能力 EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低 当负载电感上产生的电压超过MOS击穿电压BVDSS后 将出现雪崩击穿 此时MOSFET虽然处于关断状态 但电感上的电流仍能强行流过MOSFET器件 此时在器件上消耗的能量 电感中储存的能量 EAS 1 2 LII BVD BVD VD IAS 单脉冲雪崩击穿电流 由于雪崩击穿过程中通过芯片的电流存在集边效应 这就需要对雪崩电流IAS进行限制 实际上 雪崩电流是EAS能量的 精细阐述 其揭示了器件真正的能力 MOS静态参数 Ids on 芯片在最大额定结温下 管壳在25 或更高温度下 可持续导通的漏极电流 换句话说 就是芯片工作时产生的热量 可由 晶圆 铜框架 散热片 环境 的导热途径发散掉 且最后热平衡时的芯片结温不超过最大结温 该参数由封装 最大允许结温 导通电阻 芯片面积等综合因素决定 某些情况下 封装是限制ID on 的主要原因 TO 247和TO 264封装的最大电流100Amps TO 220封装的最大电流为75Amps SOT 227封装的最大电流为220Amps 开关应用中实际开关电流通常小于ID额定值 TC 25 的一半 例如48V六管控制器 限流值为17A 意即单颗MOS要承载17A的持续电流 MOS静态参数 IDM 该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低 脉冲电流要远高于Ids ON 设定电流密度上限防止芯片由于温度过高而烧毁 防止过高电流流经封装引线 因为在某些情况下 整个芯片上最 薄弱的连接 不是芯片 而是封装引线 该参数由脉冲宽度 脉冲间隔 散热状况 RDS on 脉冲电流波形和幅度等综合因素决定 单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值 目前我司HY1001和HY1808都能承受 IDM 160A 脉冲宽度不超过20uS的电流 MOS动态参数 gfs 正向跨导 表示栅源电压UGS 对漏极电流ID的控制能力 即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值 dv dt 电压上升率 控制器电路参数 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在 在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时 MOSFET上的电压Vds会出现振铃 导致Vds超过MOSFET的BVDSS从而发生雪崩现象 若MOSFET的米勒电容Cgd偏大的同时且VTH又偏小 则MOSFET在关闭的瞬间 将在GS端感应出电压 与dv dt Cgd Cgs RG相关 若该电压大于VTH 则将导致Cdv dt感应导通 结电容 Qg 上升 下降时间是影响开关损耗的动态参数 器件工作频率越高 这些参数的影响就越大 Cds 漏 源电容Cdu 漏 衬底电容Cgd 栅 源电容Cgs 漏 源电容Ciss 栅短路共源输入电容Coss 栅短路共源输出电容Crss 栅短路共源反向传输电容 MOS动态参数 MOS参数中英文对照表 di dt 电流上升率 外电路参数 dv dt 电压上升率 外电路参数 ID 漏极电流 直流 IDM 漏极脉冲电流ID on 通态漏极电流IDQ 静态漏极电流 射频功率管 IDS 漏源电流IDSM 最大漏源电流IDSS 栅 源短路时 漏极电流IDS sat 沟道饱和电流 漏源饱和电流 IG 栅极电流 直流 IGF 正向栅电流IGR 反向栅电流IGDO 源极开路时 截止栅电流IGSO 漏极开路时 截止栅电流IGM 栅极脉冲电流IGP 栅极峰值电流IF 二极管正向电流IGSS 漏极短路时截止栅电流IDSS1 对管第一管漏源饱和电流IDSS2 对管第二管漏源饱和电流Iu 衬底电流Ipr 电流脉冲峰值 外电路参数 gfs 正向跨导Gp 功率增益Gps 共源极中和高频功率增益GpG 共栅极中和高频功率增益GPD 共漏极中和高频功率增益ggd 栅漏电导gds 漏源电导K 失调电压温度系数Ku 传输系数 VDS 漏源电压 直流 VGS 栅源电压 直流 VGSF 正向栅源电压 直流 VGSR 反向栅源电压 直流 VDD 漏极 直流 电源电压 外电路参数 VGG 栅极 直流 电源电压 外电路参数 Vss 源极 直流 电源电压 外电路参数 VGS th 开启电压或阀电压V BR DSS 漏源击穿电压V BR GSS 漏源短路时栅源击穿电压VDS on 漏源通态电压VDS sat 漏源饱和电压VGD 栅漏电压 直流 Vsu 源衬底电压 直流 VDu 漏衬底电压 直流 VGu 栅衬底电压 直流 Zo 驱动源内阻 漏极效率 射频功率管 Vn 噪声电压aID 漏极电流温度系数ards 漏源电阻温度系数 L 负载电感 外电路参数 LD 漏极电感Ls 源极电感rDS 漏源电阻rDS on 漏源通态电阻rDS of 漏源断态电阻rGD 栅漏电阻rGS 栅源电阻Rg 栅极外接电阻 外电路参数 RL 负载电阻 外电路参数 R th jc 结壳热阻R th ja 结环热阻PD 漏极耗散功率PDM 漏极最大允许耗散功率PIN 输入功率POUT 输出功率PPK 脉冲功率峰值 外电路参数 to on 开通延迟时间td off 关断延迟时间ti 上升时间ton 开通时间toff 关断时间tf 下降时间trr 反向恢复时间Tj 结温Tjm 最大允许结温Ta 环境温度Tc 管壳温度Tstg 贮成温度 1 控制器限流值的大小 主要是受功率管本身允许通过最大电流限制 一般的 6管限流18A 9管限流25A 12管限流33A 超过以上设置来使用MOS管 若出现问题则非我司责任 事实上 由于电动车控制器散热性能不好 控制器最大电流值只取功率管的1 4左右 2 控制器上导电铜线的粗细 6管控制器导电丝请用直径1 5mm的铜导电丝 9管 12管控制器导电丝请用直径1 8mm的铜导电丝15管 18管控制器导电丝请用直径2 5mm的铜导电丝 与MOS相关的控制器问题 3 在生产调试过程中 常发现芯片 MOS管坏掉 不知什么原因 可能是防静电措施没有做好 还有就是测量绝缘时 摇表摇的过快 导致瞬间电压很高 将元件击穿 还有就是第一次调试好的控制器随意堆在一起 因为板子上存在电解电容 势必对其他板子上器件有影响 电子产品对防静电要求较高 防静电措施不当 将直接影响生产效率和返修率 4 为什么有些厂自行设计的控制器返修率特别高 控制器坏 一般都是温度过高 烧 坏的 主要原因有 硬件上驱动电路参数与功率管参数不匹配 导电丝用的不对 软件上保护功能不强 没有成熟的同步整流技术 主要用于降温 相短路保护技术 很多控制器在大电流运行下 相短路时 一拉转把功率管就坏 堵转保护技术 这些关键技术的解决将大大降低控制器的返修率 与MOS相关的控制器问题 5 控制器中的MOS经常 坏掉 到底是什么原因 1 控制器温度过高 将功率管 烧 坏 打开控制器可以看到功率管上面的塑封体被烧化了 这主要是控制器长期在大电流下运行造成的 可能是MOS与散热片上的螺丝未拧紧导致散热不良 连接MOS的螺丝和塑料粒子也容易变形烧坏 可以在塑料粒子和螺丝之间再垫上金属平垫片和弹簧垫片 保证塑料粒子被压紧 同时散热性能也会好点 2 另外 控制器软件和硬件保护做的又不到位 还有驱动电路与功率管不匹配都会导致这种问题 建议客户将样品寄给我们 以便匹配 3 电机本身设计的不好 这点从相对地波形容易看出 如果相对地波形不是梯形波 而是有明显的电压突变现象 就会使dV dt过大 也会导致MOS管易坏 这点建议电机厂修改电机 与MOS相关的控制器问题 MOS管的Die面积