電動車充電器nos管工作原理及詳解大全-可易亞
信息來源：本站 日期：2017-11-14
電機(jī)是靠MOS的輸出電流來驅(qū)動的，輸出電流越大（為了防止過流燒壞MOS管，控制器有限流保護(hù)），電機(jī)扭矩就強(qiáng)，加速就有力。
開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程、截止?fàn)顟B(tài)、擊穿狀態(tài)。
MOS主要損耗包括開關(guān)損耗（開通過程和關(guān)斷過程），導(dǎo)通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個忽略不計），還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在MOS承受規(guī)格之內(nèi)，MOS即會正常工作，超出承受范圍，即發(fā)生損壞。
而開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗，尤其是PWM沒完全打開，處于脈寬調(diào)制狀態(tài)時（對應(yīng)電動車的起步加速狀態(tài)），而最高急速狀態(tài)往往是導(dǎo)通損耗為主。
MOS是電壓驅(qū)動型器件，只要柵極G和源級S間給一個適當(dāng)電壓，源級S和漏級D間導(dǎo)電通路就形成。這個電流通路的電阻被成為MOS內(nèi)阻，也就是導(dǎo)通電阻。這個內(nèi)阻大小基本決定了MOS芯片能承受的最大導(dǎo)通電流（當(dāng)然和其它因素有關(guān)，最有關(guān)的是熱阻）。內(nèi)阻越小承受電流越大（因為發(fā)熱小）。MOS問題遠(yuǎn)沒這么簡單，麻煩在它的柵極和源級間，源級和漏級間，柵極和漏級間內(nèi)部都有等效電容。所以給柵極電壓的過程就是給電容充電的過程（電容電壓不能突變），所以MOS源級和漏級間由截止到導(dǎo)通的開通過程受柵極電容的充電過程制約。關(guān)斷過程和這個相反。
MOS主要就是最優(yōu)控制它的柵極。但是MOS內(nèi)部這三個等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們相互影響，并不是獨立的，如果獨立的就很簡單了。其中一個關(guān)鍵電容就是柵極和漏級間的電容Cgd，這個電容業(yè)界稱為米勒電容。這個電容不是恒定的，隨柵極和漏級間電壓變化而迅速變化。這個米勒電容是柵極和源級電容充電的絆腳石，因為達(dá)到一個平臺后，柵極的充電電流必須給米勒電容充電，這時柵極和源級間電壓不再升高，達(dá)到一個平臺，這個是米勒平臺（米勒平臺就是給Cgd充電的過程），米勒平臺大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。
因為這個時候源級和漏級間電壓迅速變化，內(nèi)部電容相應(yīng)迅速充放電，這些電流脈沖會導(dǎo)致MOS寄生電感產(chǎn)生很大感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（能形成2個回路），并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大。所以最頭疼的就是這個米勒平臺如何過渡。
如果開關(guān)速度很快，這個電流變化率很高，振幅加大并震蕩延時（柵極電壓震蕩劇烈會影響柵極電容的充電速度，內(nèi)部表現(xiàn)是電容一會充電，一會放電）。所以干脆開關(guān)慢點（就是柵極電容慢慢充電，用小電流充電），這樣震蕩是明顯減輕了，但是開關(guān)損耗增大了。MOS開通過程源級和漏級間等效電阻相當(dāng)于從無窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻（導(dǎo)通內(nèi)阻一般低壓mos只有幾毫歐姆）的一個轉(zhuǎn)變過程。比如一個MOS最大電流100A，電池電壓96V，在開通過程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺時）MOS發(fā)熱功率是96*100=9600w！這時它發(fā)熱功率最大，然后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時功率變成100*100*0.003=30w（這里假設(shè)這個mos導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆）。開關(guān)過程中這個發(fā)熱功率變化是驚人的。
如果開通時間慢，意味著發(fā)熱從9600w到30w過渡的慢，MOS結(jié)溫會升高的厲害。所以開關(guān)越慢，結(jié)溫越高，容易燒MOS。為了不燒MOS，只能降低MOS限流或者降低電池電壓，比如給它限制50a或電壓降低一半成48v，這樣開關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。不燒管子了。這也是高壓控容易燒管子原因，高壓控制器和低壓的只有開關(guān)損耗不一樣（開關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設(shè)限流一樣），導(dǎo)通損耗完全受mos內(nèi)阻決定，和電池電壓沒任何關(guān)系。我這里說的不一定每個人都需要很懂，大概能知道點就好了，做控制器設(shè)計的應(yīng)該能理解。
過流，大電流引起的高溫?fù)p壞（分持續(xù)大電流和瞬間超大電流脈沖導(dǎo)致結(jié)溫超過承受值）；過壓，源漏級大于擊穿電壓而擊穿；柵極擊穿，一般由于柵極電壓受外界或驅(qū)動電路損壞超過允許最高電壓（柵極電壓一般需低于20v安全）以及靜電損壞。
我們電動車上用的功率mos和平常cmos集成電路中的小功率mos結(jié)構(gòu)是不一樣的。小功率mos是平面型結(jié)構(gòu)。而電動車上上用的功率mos是立體結(jié)構(gòu)。平面型結(jié)構(gòu)是指，mos柵極，源級和漏級都在芯片表面（或者說正面），而溝道也在芯片表面橫向排列。（我們常見的教科書的介紹mos原理一般都是拿平面結(jié)構(gòu)介紹）。而功率mos的立體結(jié)構(gòu)（溝道是深槽立體結(jié)構(gòu)）是柵極和源級引線從芯片正面引出（其實柵極也不在表面而是內(nèi)部，只是比較靠近表面），而漏級是從芯片背面引出（其實整個芯片背面都是漏級連接在一起的，整個個漏級用焊接材料直接焊接在金屬板上，就是mos的金屬背板，一般是銅鍍錫的），所以我們見到的mos一般金屬板和中間引腳（就是漏級）是完全導(dǎo)通的（有些特殊的封裝是可以做到金屬板和中間腳絕緣的）。
功率mos內(nèi)部從漏級到源級是有一個二極管的，這個二極管基本上所有的功率mos都具有，和它本身結(jié)構(gòu)有關(guān)系（不需要單獨制造，設(shè)計本身就有）。當(dāng)然可以通過改變設(shè)計制造工藝，不造出這個二極管。但是這會影響芯片功率密度，要做到同樣耐壓和內(nèi)阻，需要更大的芯片面積（因為結(jié)構(gòu)不同）。大家只是知道這回事就行了。
我們所見的mos管，其實內(nèi)部由成千上萬個小mos管并聯(lián)而成（實際數(shù)量一般是上千萬個，和芯片面積和工藝有關(guān)）。如果在工作中，有一個或幾個小管短路，則整個mos表現(xiàn)為短路，當(dāng)然大電流短路mos可能直接燒斷了（有時表現(xiàn)為金屬板和黑色塑封間開裂），又表現(xiàn)為開路。大家可能會想這上千萬個小mos應(yīng)該很容易出現(xiàn)一個或幾個壞的吧，其實真沒那么容易，目前的制造工藝基本保證了這些小單位各種參數(shù)高度一致性。它們的各種開關(guān)動作幾乎完全一致，當(dāng)然最終燒壞時，肯定有先承受不了的小管先壞。所以管子的穩(wěn)定性和制造工藝密不可分，差的工藝可能導(dǎo)致這些小管的參數(shù)不那么一致。有時一點小的工藝缺陷（比如一個1um甚至更小的顆粒如果在關(guān)鍵位置）往往會造成整個芯片（缺陷所在的管芯）報廢。
不同封裝方式則內(nèi)部寄生電感差異很大。電動車上常用的小管（TO-220封裝）和大管（TO-247封裝）封裝電感都挺大，但是之所以它們用量很高，是因為這種結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計比較容易（大功率下散熱是非常重要的）。一般大管封裝電感是大于小管的。在控制器設(shè)計時，mos封裝寄生電感需要考慮，但也許無法解決，不過外部布線電感則必須設(shè)計合理，尤其是多管并聯(lián)時做到均勻分配。
大管和小管的優(yōu)缺點比較（只這兩種比）。大管優(yōu)點，金屬背板面積大所以散熱好做，封裝電阻低（引線粗），所以封裝電流可以做到很大（可以200a左右）。大管缺點，占地方大（這個很明顯），封裝電感稍大。小管優(yōu)點，占地方小，封裝電感稍小。小管缺點，封裝電阻大（引線細(xì)），封裝電流較?。ㄒ话?20a以下），金屬板面積小散熱較弱。（封裝電流和芯片過流能力是兩個完全不同的概念，有的廠家規(guī)格書標(biāo)芯片過流能力，而有的廠家是這兩個電流哪個小標(biāo)哪個。因為小的決定了整個管子的電流能力。
大管和小管簡單誤區(qū)及說明。千萬不要認(rèn)為大管的芯片面積一定大于小管的。有些芯片本來就有不同的封裝方式，比如分別用小管和大管封裝，其實它們的芯片面積一樣大，大管封裝只是為了散熱更好些或封裝電流更大些。所以大管封裝里面芯片面積可大可小，同樣小管封裝里面芯片面積也可大可小。不過大管封裝能容納的最大芯片面積大概是小管封裝的2倍（甚至多點）。舉例說明，irfb4110用小管封裝，芯片已經(jīng)把小管內(nèi)部填滿了，面積再大小管放不進(jìn)了，而為了得到更低內(nèi)阻管子，所以有大管irfp4468，這個芯片面積比irfb4110大了一倍，所以它的內(nèi)阻低了一半，各種電容大了一倍。所以一個4468的芯片成本是4110的2倍（同樣大管封裝成本也比小管高）。所以4468比4110貴了差不多一倍（相當(dāng)于把兩個4110封裝在一起的等效效果）。
40N20（40A 200V） 30N03 30N06 40N06 50N06 65N06 75NF75 100N03 3710 3205 3510（75A 100V） 6110（12A 100V） 7610（25A 100V）8A60V 18A60V 22A60V 70A60V 80A60V 13A60V 160A60V 230A60V 9A100V 130A100V
2N60 2N65 3N80 4N60 4N65 5N60 6N65 6N70 7N60 7N65 7N80 8N60 8N80 9N90 10N60 10N65 12N60 12N65 13N50 16N50 18N50 20N50 24N50 730 740 830 840 47A600V
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