浅谈MOS管的发热原因和解决办法

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MOS管发热影响因素

经常查阅MOS管的数据手册首页可以经常看到如下参数，

导通阻抗RDS(on)

栅极驱动电压VGS

流经开关的漏极电流Id

结温RθJC，MOS结到管壳的热阻抗

查阅某MOS datasheet，可得

图1 VGS，ID，RθJC

图2 不同Vgs电压对应不同Rds(on)

由图2可知，数据手册定义Rds(on)与VGS和Id有关，但对于一个充分导通的MOS管来说，导通阻抗Rds(on)是一个相对静态参数，当我们使用MOS管做开关管进行导通的时候，会导致MOS管很快发热。

另外如图3所示，慢慢升高的结温RθJC也会导致Rds的增加。随着Rds的增加，会直接导致MOS管损耗增加，从而导致发热现象，这也是MOS管发热的根本原因。

图3 导通阻抗和MOS结温

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MOS管发热具体分析

1，主回路电路设计不当。我们通常使用的MOS管一般都是工作在开关区内，所以叫开关电压嘛，如果MOS管工作在线性区状态下，导通时间过长会导致工作在线性区内，如下图3所示是开关管导通过程。当用NMOS作为开关管时，栅极驱动电压Vgs要大于电源电压才能完全导通，PMOS管则相反。如果没有完全导通的话，等效直流阻抗增大，压降Vds也会增大，P=Vds*Id，损耗也会增大，导致MOS管发热严重。 图4 MOS管导通过程 2，MOS管的开关频率过高。频率与导通损耗是成正比的，我们的开关电源就是利用开关频率高使得在有限的体积内可以实现更多次数的开关，同时从前级传递更多的能量给到后级，从而实现需要的功能。所以当我们追求体积越小的产品时候，会使用更高频率的开关管，那么如果在调试过程中，MOS管的温升比较高，首先想想是否使用MOS管的开关频率过高导致。 3，MOS管选型不当。多数工程师选型的过程中都会选择小的导通阻抗Rds(on)，但是当导通阻抗小了，寄生电容Cgd，Cgs就会增大，这是因为元器件内部结构问题决定的，在同样材料条件下，面积越大，电阻就越小 ，而电容跟面积的关系是面积越大，电容Cds和Cgs越大，会出现米勒效应，从而增加了功耗，所以选用开关管够用即可，内阻追求太低也不好。关于米勒效应，最近会出一期专门分析，敬请期待~ 分析：该曲线中，当电容越大，充电时间越久，留在放大区间的时间就长了，开关损耗就大了，MOS管发热量就大。 图4-1 米勒平台的产生 4，流经开关的漏极电流Id过大，主要是没有做好足够的散热设计，规格书上的MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以选型要选稍微大一点的ID，如果ID小于最大工作电流，也可能发热严重，需要加上辅助散热片。

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MOS管损耗测试

为了解决MOS管发热的问题，我们可以通过上述多种情况分析，是否是由以上几种情况造成的，但是要想准确判断某一种情况，还需要进行测试MOS管的损耗。那么我们就需要测试一下MOS管的频率是否偏高，测试一下漏源极电压VGS和漏极电流ID等等，还能直接算出MOS管的功耗。

MOS管的工作状态有四种情况，分别是开通过程，导通过程，关断过程和截止过程。

图5 MOS管导通全过程

那么对应的损耗自然主要是四种，分别是开关损耗，导通损耗，截止损耗，还有一个是能量损耗，但是对应开关管来说，开关损耗远大于能量损耗，小部分能量体现在导通状态，而关闭状态几乎不消耗能量，可胡萝卜鸡，具体损耗以下面公式计算：

Eswitch=Eon+Econd+Eoff

            =(Pon+Pcond+Poff)∙Ts

图6 MOS管损耗波形分析

通过示波器的开关损耗测试功能，我们就可以实现MOS管的开关损耗测试，如下我们测试出MOS管的VGS和ID，可以看到波形，电压值和电流值，还有开关过程中的开关损耗，导通损耗，截止损耗，通过数字进行量化，判断出到底是哪个损耗带来的问题，最终确定MOS管发热的问题点。

图7 MOS管功耗测试图

审核编辑 黄宇