MOS管为什么会发热?SiC为什么能很好地抑制发热?

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MOS管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。
 
其结构示意图:
mos
 
解释1:沟道
 
上面图中,下边的p型中间一个窄长条就是沟道,使得左右两块P型极连在一起,因此mos管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻,选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。
 
解释2:n型
 
上图表示的是p型mos管,读者可以依据此图理解n型的,都是反过来即可。因此,不难理解,n型的如图在栅极加正压会导致导通,而p型的相反。
 
解释3:增强型
 
相对于耗尽型,增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通,如图。栅极电压越低,则p型源、漏极的正离子就越靠近中间,n衬底的负离子就越远离栅极,栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时,由p型游离出来的正离子连在一起,形成通道,就是图示效果。因此,容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通,电压越低,通道越厚,导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比,因此,电场强到一定程度之后,电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产,在市面基本见不到。所以,大家平时说mos管,就默认是增强型的。
 
解释4:左右对称
 
图示左右是对称的,难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上,源极和漏极确实是对称的,是不区分的。但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管,起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极,这样,封装也就固定了,便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管。非常容易被静电击穿,平时要放在铁质罐子里,它的源极和漏极就是随便接。
 
解释5:金属氧化物膜
 
图中有指示,这个膜是绝缘的,用来电气隔离,使得栅极只能形成电场,不能通过直流电,因此是用电压控制的。在直流电气上,栅极和源漏极是断路。不难理解,这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的,1角人民币左右买一个,而2402等在十毫欧级的,要2元多(批量买。零售是4元左右)。
 
解释6:与实物的区别
 
上图仅仅是原理性的,实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极。实际的元件,p型的,衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压,因此p型的管子,栅极不用加负电压了,接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道,严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的,应用时抛开了负电压。
 
解释7:寄生电容
 
上图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容,越是高品质的mos,膜越薄,寄生电容越大,经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一,必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断,经常被要求数十K乃至数M的开关频率,在这种用途中,栅极信号具有交流特征,频率越高,交流成分越大,寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,也是这个道理。试想,弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间,就会产生上升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作。
 
解释8:如何工作在放大区
 
Mos管也能工作在放大区,而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用mos管工作在放大区,由于mos管的特性,当沟道处于似通非通时,栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大,当然,随频率增加阻抗就越来越小,一定频率时,就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。
 
解释9:发热原因
 
Mos管发热,主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗,形成电流。有电流就有发热,并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时,导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时,导通电阻很大,发热比较厉害。第三个原因是导通后,沟道有电阻,过主电流,形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护,所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是150摄氏度。超过此温度,mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。
 
SiC功率器件使得可以显着减少电子电路产生的热量,并且由于SiC可以在比Si更高的温度下工作,所以可以使散热器和其他冷却装置更小。这些特性有助于制造商设计小而轻的设备,从而降低总能耗。
 
例如,ROHM开发DE 额定电压为1700伏的SiC MOSFET,用于工业系统中的辅助机械的通用逆变器或电源。到目前为止,额定电压为1000伏或以上的Si MOSFET在运行中会面临较大的电导损耗,从而导致显着的发热。需要大型散热器来处理热量,并且外围部件也因此受到许多限制。总而言之,这些产品很难小型化。然而,新的SiC MOSFET将电导损耗降低到八分之一,从而允许更小的散热器和更宽松的外围元件限制。与我们为SiC MOSFET驱动器开发的AC / DC转换器控制集成电路(IC)一起,效率可提高多达6%(图2)。
 
sic
图2 SiC功率器件的优点
 
但愿上述描述能通俗的理解mos管,下面说说几个约定俗成电路:
 
1:pmos应用
 
一般用于管理电源的通断,属于无触点开关,栅极低电平就完全导通,高电平就完全截止。而且,栅极可以加高过电源的电压,意味着可以用5v信号管理3v电源的开关,这个原理也用于电平转换。
 
2:nmos管应用
 
一般用于管理某电路是否接地,属于无触点开关,栅极高电平就导通导致接地,低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止,但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源,因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地,这个原理也用于电平转换。
 
3:放大区应用
 
工作于放大区,一般用来设计反馈电路,需要的专业知识比较多,类似运放,这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用,我们其实不用关注。人家都做好了,看好datasheet就可以了,不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容。
 
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