MOS管驱动电路(串联电阻、二极管)、发热原因和解决办法

发热来源

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如上图,MOS管的工作状态有4种情况,分别是开通过程,导通过程,关断过程和截止过程。
导致发热的损耗主要有两种:开关损耗、导通损耗。

导通损耗

导通损耗比较好计算,根据驱动电压VGS值可以得到MOS的导通电阻RDS(ON),用欧姆定律计算即可。
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开关损耗

开关损耗是MOS管开启、关断过程中的损耗。由于MOS管开启需要有个过程,这个过程中MOS管的D、S之间存在电压、电流,电压电流相乘就得到了MOS管的开关损耗。如下:
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MOS管开关时的米勒效应

MOS管驱动电路

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常见的完整的MOS管驱动电路如上,一般有驱动电阻R1、泄放电阻R2、泄放二极管D1、下拉电阻R3.

驱动电阻R1的作用

PCB走线存在寄生电感,每1mm约1nH左右。
MOS管G极存在输入电容。
MOS开关的上升(tr)及下降(tf)时间一般为数ns。
因寄生成分而产生的电压和电流可通过以下公式计算:
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由上面可知,驱动电压越大、驱动电流越大、寄生电感越大、电容越大都会使震荡电压越大,如果超过MOS管最大VGS会损坏MOS。
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因此需要串联驱动电阻R1,来衰减震荡尖峰。
这样虽然会降低驱动电流,增加MOS开启时间,增加发热,但是可以保护MOS。
下图展示了增大驱动电阻对震荡的抑制作用。
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泄放电阻R2、泄放二极管D1的作用

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当MOS管关闭时泄放电阻R2、泄放二极管D1才会起作用。
驱动芯片输出低电平,MOS管G极电容会从R1、R2和D1流向驱动芯片。
如果R1较大,泄放电流就小。因此再专门开一条通路R2和D1,根据D1的承受电流来设计R2的值,如果G极电容小、D1承受能力ok,R2可省略。
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下拉电阻R3的作用

MOS管的G、S之间电阻很大,而且存在电容,如果没有驱动信号,高阻状态下,G极容易耦合进电压导致MOS管误导通。因此需要加一个电阻来下拉,泄放电压。
如果驱动信号可靠,一直都有明确的电平状态。此电阻就可以省略。

发热解决办法

需要先分析下自己电路中主要是导通损耗还是开关损耗。

导通损耗多:
1、VGS没到最大就提高VGS
2、换RDS(ON)更小的MOS。
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开关损耗多:
1、降低开关频率
2、改进电路加快开关过程。降低驱动电阻、增加泄放二极管。
3、选择输入输出电容更小的MOS。

选择Cgd小的MOS,在MOS的手册中:
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又根据公式:Ciss=Cgs+Cgd,Coss=Cds+Cgd,Crss=Cgd

需要注意:内阻越小,一般cgs和cgd电容越大。所以需要取舍。

### 升压斩波电路MOS发热原因分析 在升压斩波电路中,MOS管作为开关元件起着至关重要的作用。其发热的主要原因是由于损耗开关损耗的存在。具体来说: #### 损耗 无论NMOS还是PMOS,在状态下都会表现出一定的电阻 \( R_{DS(on)} \)[^2]。当电流流过此电阻时,会产生功率损耗,计算公式为: \[ P_{on} = I_D^2 \cdot R_{DS(on)} \] 其中 \( I_D \) 是MOS管的漏极电流。如果负载较大或选用的MOS管具有较高的 \( R_{DS(on)} \),则会显著增加损耗。 #### 开关损耗 除了状态下的功耗外,MOS管在开启关闭过程中也会产生额外的能耗。这主要发生在栅极充电/放电以及过渡阶段中的动态损耗。对于高频工作的升压变换器而言,这种类型的损失尤为明显[^4]。 另外需要注意的是,为了确保MOS管能够正常工作于饱区而非线性放大区域(后者会致更大的热量积累),必须提供足够高的驱动电压来完全打开它;否则部分时间里可能处于半开闭状态从而加剧温升现象[^1]。 针对上述提到的各种因素可以采取如下措施减少发热量: ### 解决方案 1. **降低阻抗** 使用低\( R_{DS(on)}\) 的新型高效场效应晶体管替代原有型号,并注意匹配好相应的散热片设计以增强空气流动带走多余温度。 2. **优化驱动信号** 提供充足的门限控制幅度使得器件快速切换至理想的工作区间内运作,避免长时间停留在中间地带造成不必要的能量浪费。 3. **改善布局结构** 合理安排PCB走线宽度与长度比例关系,减小寄生参数影响的同时也有助于整体系统的稳定性提升。 4. **加强冷却机制** 如果条件允许的话还可以考虑加装风扇主动型降温装置或者是更大面积接触面被动式铝制鳍片组等等物理手段辅助调节环境介质交换效率达到预期目标效果。 ```python def calculate_power_loss(current, rds_on): """Calculate power loss due to conduction.""" return current**2 * rds_on # Power Loss Formula # Example usage with hypothetical values current_through_mosfet = 5 # Amps rds_on_value = 0.02 # Ohms (example value) power_dissipated = calculate_power_loss(current_through_mosfet, rds_on_value) print(f"Power dissipated by the MOSFET is {power_dissipated:.2f} Watts.") ``` 以上是从理论角度出发探讨了解决办法之一些思路方向仅供参考实践当中还需要综合考量成本效益比等因素做出最佳决策。
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