電動(dòng)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(dòng)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(gè)忽略不計(jì)），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(huì)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(shí)（對(duì)應(yīng)電動(dòng)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(dòng)型器件，只要柵極G和源級(jí)S間給一個(gè)適當(dāng)電壓，源級(jí)S和漏級(jí)D間導(dǎo)電通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS內(nèi)阻，也就是導(dǎo)通電阻。這個(gè)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?yàn)榘l(fā)熱小）。MOS問題遠(yuǎn)沒這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵極和源級(jí)間，源級(jí)和漏級(jí)間，柵極和漏級(jí)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(jí)和漏級(jí)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(gè)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(gè)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(dú)立的，如果獨(dú)立的就很簡(jiǎn)單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵極和漏級(jí)間的電容Cgd，這個(gè)電容業(yè)界稱為米勒電容。這個(gè)電容不是恒定的，隨柵極和漏級(jí)間電壓變化而迅速變化。這個(gè)米勒電容是柵極和源級(jí)電容充電的絆腳石，因?yàn)檫_(dá)到一個(gè)平臺(tái)后，柵極的充電電流必須給米勒電容充電，這時(shí)柵極和源級(jí)間電壓不再升高，達(dá)到一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)是米勒平臺(tái)（米勒平臺(tái)就是給Cgd充電的過程），米勒平臺(tái)大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。
因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)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(huì)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(gè)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(gè)米勒平臺(tái)如何過渡。
如果開關(guān)速度很快，這個(gè)電流變化率很高，振幅加大并震蕩延時(shí)（柵極電壓震蕩劇烈會(huì)影響柵極電容的充電速度，內(nèi)部表現(xiàn)是電容一會(huì)充電，一會(huì)放電）。所以干脆開關(guān)慢點(diǎn)（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(jí)和漏級(jí)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(gè)轉(zhuǎn)變過程。比如一個(gè)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(tái)時(shí)）MOS發(fā)熱功率是96*100=9600w！這時(shí)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(shí)功率變成100*100*0.003=30w（這里假設(shè)這個(gè)mos導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐姆）。開關(guān)過程中這個(gè)發(fā)熱功率變化是驚人的。
如果開通時(shí)間慢，意味著發(fā)熱從9600w到30w過渡的慢，MOS結(jié)溫會(huì)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(gè)人都需要很懂，大概能知道點(diǎn)就好了，做控制器設(shè)計(jì)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)和漏級(jí)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(jí)引線從芯片正面引出（其實(shí)柵極也不在表面而是內(nèi)部，只是比較靠近表面），而漏級(jí)是從芯片背面引出（其實(shí)整個(gè)芯片背面都是漏級(jí)連接在一起的，整個(gè)個(gè)漏級(jí)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(jí)）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(jí)到源級(jí)是有一個(gè)二極管的，這個(gè)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(dú)制造，設(shè)計(jì)本身就有）。當(dāng)然可以通過改變?cè)O(shè)計(jì)制造工藝，不造出這個(gè)二極管。但是這會(huì)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?yàn)榻Y(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(shí)內(nèi)部由成千上萬個(gè)小mos管并聯(lián)而成（實(shí)際數(shù)量一般是上千萬個(gè)，和芯片面積和工藝有關(guān)）。如果在工作中，有一個(gè)或幾個(gè)小管短路，則整個(gè)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(shí)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(huì)想這上千萬個(gè)小mos應(yīng)該很容易出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)壞的吧，其實(shí)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(dòng)作幾乎完全一致，當(dāng)然最終燒壞時(shí)，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(shí)一點(diǎn)小的工藝缺陷（比如一個(gè)1um甚至更小的顆粒如果在關(guān)鍵位置）往往會(huì)造成整個(gè)芯片（缺陷所在的管芯）報(bào)廢。
不同封裝方式則內(nèi)部寄生電感差異很大。電動(dòng)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?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，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(jì)合理，尤其是多管并聯(lián)時(shí)做到均勻分配。
大管和小管的優(yōu)缺點(diǎn)比較（只這兩種比）。大管優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，占地方大（這個(gè)很明顯），封裝電感稍大。小管優(yōu)點(diǎn)，占地方小，封裝電感稍小。小管缺點(diǎn)，封裝電阻大（引線細(xì)），封裝電流較小（一般120a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(gè)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(gè)電流哪個(gè)小標(biāo)哪個(gè)。因?yàn)樾〉臎Q定了整個(gè)管子的電流能力。
大管和小管簡(jiǎn)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(shí)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(diǎn)）。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(gè)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(gè)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(gè)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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