MOS管发热原因及解决方案详解
MOS管发热原因及解决方案详解
MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）在电子设备中广泛应用于开关和放大电路。然而，在实际应用中，MOS管发热是一个常见的问题，不仅影响设备的性能，还可能缩短其使用寿命。本文将深入探讨MOS管发热的主要原因，并提供有效的解决方案。
发热原因分析
在理想情况下，MOS管的栅极（G）和源极（S）之间不存在电容。然而，实际情况并非如此，GS之间存在一个小电容。当驱动回路工作时，这个小电容与回路中的电阻（R）共同作用，形成一个RC低通滤波器。这种滤波器的特性是：当输入信号为90度上升沿时，输出信号会变得缓慢，下降沿同样如此。
这种缓慢的上升沿会导致MOS管不能完全导通，此时DS之间的电阻（RDSon）较大，DS两端的电压也相对较高，同时流过较大的电流。这种状态会导致MOS管产生大量的热量，从而发热。
通过示波器可以更直观地分析这一过程。下图展示了VGS（栅极-源极电压）和电流（紫色曲线）的波形：
- 开始时PWM为0，黄色波形为0V，MOS管完全关断，这时电压VDS应该等于电源电压。
- 右边部分MOS管完全导通时VGS=5V，VDS=0V。
- 中间黄色波形，即VGS上升过程分为三个阶段：
- 第一阶段VGS由0上升到VGS(th)，MOS管还没有开通，VDS等于电源电压，电流为0；
- 第二阶段黄色波形很平，此时MOS管处于半开半关状态，相当于一个电阻，可以看紫色曲线电流在这个阶段是不小的，这个阶段是MOS管发热的主要原因；
- 第三阶段就是MOS管完全导通，虽然电流比较大但是VDS等于零 P=UI为0。
在许多应用中，希望PWM频率越大越好，例如在开关电源领域，PWM频率越大功率就越大，成本更低。然而，VGS的上升沿和下降沿时间成为了频率提升的最大障碍。因此，为了减少MOS管的发热，需要减小VGS上升沿和下降沿所用的时间。
解决方案
方法一：减小电阻R2
减小驱动回路中的电阻R2可以减小RC的时间常数，从而使上升沿变得更陡。但是需要注意的是，电阻过小可能会引起振铃现象。因此，需要尝试更换不同阻值的电阻，找到最佳平衡点。通常，如果电阻超过100Ω仍然存在较大的振铃，就需要进一步检查电路设计。
方法二：并联二极管
可以在电阻两端并联一个二极管，这样可以让下降沿变得更陡。当IO口电压为0时，G端电压高于IO口，这时二极管就会导通，二极管右端也就是G端电压就变成了0.7V。
方法三：减小MOS管的Cgs电容
选择Ciss（输入电容）更小的MOS管可以有效减小RC时间常数，从而加快开关速度。
方法四：增大G端的驱动电压和电流
对于单片机来说，其输出电压通常只有3.3V，电流20mA，这种驱动能力仅适用于慢速开关或小功率MOS管。为了提高驱动能力，可以使用专门的栅极驱动芯片（比如EG3013），这些芯片能够提供更高的驱动电压和更大的驱动电流，从而加快MOS管的开关速度，减少发热。
通过上述方法，可以有效解决MOS管发热问题，提高电子设备的稳定性和效率。