你的MOSFET为什么发热那么严重？

[导读]在开关电源电路中，MOSFET作为最核心的器件，却也是最容易发热烧毁的，那么MOSFET到底承受了什么导致发热呢？本文来带你具体分析。 MOSFET工作原理什么是MOSFET？MOSFET是全称为Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTran...

在开关电源电路中，MOSFET作为最核心的器件，却也是最容易发热烧毁的，那么MOSFET到底承受了什么导致发热呢？本文来带你具体分析。

MOSFET工作原理

什么是MOSFET？MOSFET是全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管的半导体。它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型通常称P沟道型。如图1所示，对于N沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管，如图2所示，其源极和漏极则接在P型半导体上。无论N型或者P型MOS管，其工作原理是一样的，都是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流 (或称输入回路的电场效应)，故可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。当MOSFET处于工作状态时，MOSFET截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。

图1 N沟道型MOSFET

图2 P沟道型MOSFET

MOSFET发热影响因素

MOS管的数据手册中通常有以下参数：导通阻抗RDS（ON），栅极（或驱动）电压 VGS 以及流经开关的电流漏源极电流ID，RDS（ON）与栅极（或驱动）电压VGS 以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS（ON）是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。除此之外，慢慢升高的结温也会导致RDS（ON）的增加。随着RDS的增加，导致功率管的损耗增加，从而导致发热现象，这也是MOSFET发热的根本原因。

那么总结导致发热的主要因素主要有以下几点：

电路设计问题，MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态，MOS管导通过程时间过长导致，如图3所示为开关管导通过程。例如：让N-MOS做开关，G级电压就要比电源高几V才能完全导通，而P-MOS则相反。没有完全导通，由于等效直流阻抗较大，所以压降增大，Vds*Id也增大，从而造成损耗过大导致发热。
功率管的驱动频率太高，频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大。
功率管选型不当，导通阻抗(RDS(ON))确实是最为关键品质因数，然而开关损耗与功率管的cgd和cgs也有关，大部分工程师会优先选用低导通电阻的MOS管，然而内阻越小，cgs和cgd电容越大，所以选择功率管时够用就行，不能选择太小的内阻。
通过漏极和源极的导通电流ID过大，造成这样的原因主要是没有做好足够的散热设计，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。

图3 开关管导通过程

如何测试功率损耗？

为了解决MOS管发热问题，要准确判断是否是以上几种原因造成，更重要的是对开关管功率损耗进行正确的测试，才能发现问题所在，从而找对改善的关键点。那么我们可以通过示波器来观看开关管波形，来判断驱动频率是否过高，以及测试G极驱动电压的大小、通过漏源极的Id电流大小等，并直接测试出开关管的功率损耗。

MOS管工作状态有四种，开通过程、导通状态、关断过程，截止状态。

MOS管主要损耗：开关损耗，导通损耗，截止损耗，还有能量损耗，开关损耗往往大于后者，小部分能量体现在“导通状态”，而“关闭状态”的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。具体使用下面公式计算：

E_switch=E_on E_cond E_off=(P_on P_cond P_off)∙T_s

图4 MOS管工作全过程

图5 MOSFET导通功耗波形

通过示波器的电源测试软件中的开关损耗测试功能，可得到以下开关管的功率损耗测试结果，如图6。通过结果我们可以判断开关管的具体通断波形以及电压、电流值，并得到整个开关过程中开启、关闭过程以及导通部分的损耗，从而可以判断出有问题的部分，进行排查改善。

图6 开关管波形实际测试图

致远电子ZDS5000示波器内部集成了电源测试软件，可以直接对开关管的MOSFET进行全过程各个部分的功率损耗测试。对于某些开关元器件，开关周期损耗不尽相同，且开关管开通和关断时间很短，如Boost-PFC，因此不能用通过测量一个开关周期（如80KHz）评估整体损耗。ZDS5000系列示波器有512M的存储深度，可以对PFC等高速功率管进行高采样率的半波分析，因此能够测量的更准确，如图7所示。