浅谈MOS管在电动车控制器中的应用
关键词：MOS管、场效应管、电动车控制器
1、 MOS管在电动车控制器中的作用
开通过程、导通状态、关断过程、截止状态、击穿状态。
MOS主要损耗包括开关损耗（开通过程和关断过程），导通损耗，截止损耗（漏电流引起的，这个忽略不计），还有雪崩能量损耗。只要把这些损耗控制在MOS承受规格之内，MOS即会正常工作，超出承受范围，即发生损坏。
而开关损耗往往大于导通状态损耗，尤其是PWM没完全打开，处于脉宽调制状态时（对应电动车的起步加速状态），而最高急速状态往往是导通损耗为主。
3、MOS损坏主要原因：
3、MOS损坏主要原因：
过流，大电流引起的高温损坏（分持续大电流和瞬间超大电流脉冲导致结温超过承受值）；过压，源漏级大于击穿电压而击穿；栅极击穿，一般由于栅极电压受外界或驱动电路损坏超过允许最高电压（栅极电压一般需低于20v安全）以及静电损坏。
4、MOS管的开关原理（简要）
MOS是电压驱动型器件，只要栅极G和源级S间给一个适当电压，源级S和漏级D间导电通路就形成。这个电流通路的电阻被成为MOS内阻，也就是导通电阻。这个内阻大小基本决定了MOS芯片能承受的最大导通电流（当然和其它因素有关，最有关的是热阻）。内阻越小承受电流越大（因为发热小）。MOS问题远没这么简单，麻烦在它的栅极和源级间，源级和漏级间，栅极和漏级间内部都有等效电容。所以给栅极电压的过程就是给电容充电的过程（电容电压不能突变），所以MOS源级和漏级间由截止到导通的开通过程受栅极电容的充电过程制约。关断过程和这个相反。
玩MOS主要就是玩怎么最优控制它的栅极。但是MOS内部这三个等效电容是构成串并联组合关系，它们相互影响，并不是独立的，如果独立的就很简单了。其中一个关键电容就是栅极和漏级间的电容Cgd，这个电容业界称为米勒电容。这个电容不是恒定的，随栅极和漏级
玩MOS主要就是玩怎么最优控制它的栅极。但是MOS内部这三个等效电容是构成串并联组合关系，它们相互影响，并不是独立的，如果独立的就很简单了。其中一个关键电容就是栅极和漏级间的电容Cgd，这个电容业界称为米勒电容。这个电容不是恒定的，随栅极和漏级
间电压变化而迅速变化。这个米勒电容是栅极和源级电容充电的绊脚石，因为达到一个平台后，栅极的充电电流必须给米勒电容充电，这时栅极和源级间电压不再升高，达到一个平台，这个是米勒平台（米勒平台就是给Cgd充电的过程），米勒平台大家首先想到的麻烦就是米勒振荡。
电动车因为这个时候源级和漏级间电压迅速变化，内部电容相应迅速充放电，这些电流脉冲会导致MOS寄生电感产生很大感抗，这里面就有电容，电感，电阻组成震荡电路（能形成2个回路），并且电流脉冲越强频率越高震荡幅度越大。所以最头疼的就是这个米勒平台如何过渡。
如果开关速度很快，这个电流变化率很高，振幅加大并震荡延时（栅极电压震荡剧烈会影响栅极电容的充电速度，内部表现是电容一会充电，一会放电）。所以干脆开关慢点（就是栅极电容慢慢充电，用小电流充电），这样震荡是明显减轻了，但是开关损耗增大了。MOS开通过程源级和漏级间等效电阻相当于从无穷大电阻到阻值很小的导通内阻（导通内阻一般低压mos只有几毫欧姆）的一个转变过程。比如一个MOS最大电流100A，电池电压96V，在开通过程中，有那么一瞬间（刚进入米勒平台时）MOS发热功率是96*100=9600w！这时它发热功率最大，然后发热功率迅速降低直到完全导通时功率变成100*100*0.003=30w（这里假
电动车因为这个时候源级和漏级间电压迅速变化，内部电容相应迅速充放电，这些电流脉冲会导致MOS寄生电感产生很大感抗，这里面就有电容，电感，电阻组成震荡电路（能形成2个回路），并且电流脉冲越强频率越高震荡幅度越大。所以最头疼的就是这个米勒平台如何过渡。
如果开关速度很快，这个电流变化率很高，振幅加大并震荡延时（栅极电压震荡剧烈会影响栅极电容的充电速度，内部表现是电容一会充电，一会放电）。所以干脆开关慢点（就是栅极电容慢慢充电，用小电流充电），这样震荡是明显减轻了，但是开关损耗增大了。MOS开通过程源级和漏级间等效电阻相当于从无穷大电阻到阻值很小的导通内阻（导通内阻一般低压mos只有几毫欧姆）的一个转变过程。比如一个MOS最大电流100A，电池电压96V，在开通过程中，有那么一瞬间（刚进入米勒平台时）MOS发热功率是96*100=9600w！这时它发热功率最大，然后发热功率迅速降低直到完全导通时功率变成100*100*0.003=30w（这里假
设这个mos导通内阻3毫欧姆）。开关过程中这个发热功率变化是惊人的。
如果开通时间慢，意味着发热从9600w到30w过渡的慢，MOS结温会升高的厉害。所以开关越慢，结温越高，容易烧MOS。为了不烧MOS，只能降低MOS限流或者降低电池电压，比如给它限制50a或电压降低一半成48v，这样开关发热损耗也降低了一半。不烧管子了。这也是高压控容易烧管子原因，高压控制器和低压的只有开关损耗不一样（开关损耗和电池端电压基本成正比，假设限流一样），导通损耗完全受mos内阻决定，和电池电压没任何关系。我这里说的不一定每个人都需要很懂，大概能知道点就好了，做控制器设计的应该能理解。
其实整个mos开通过程非常复杂。里面变量太多。总之就是开关慢不容易米勒震荡，但开关损耗大，管子发热大，开关速度快理论上开关损耗低（只要能有效抑制米勒震荡），但是往往米勒震荡很厉害（如果米勒震荡很严重，可能在米勒平台就烧管子了），反而开关损耗也大，并且上臂mos震荡更有可能引起下臂mos误导通，形成上下臂短路。所以这个很考验设计师的驱动电路布线和主回路布线技能。最终就是个平衡点（一般开通过程不超过1us）。开通损耗这个最简单，只和导通电阻成正比，想大电流低损耗内阻低的。
4、MOS在电动车控制器中的应用
如果开通时间慢，意味着发热从9600w到30w过渡的慢，MOS结温会升高的厉害。所以开关越慢，结温越高，容易烧MOS。为了不烧MOS，只能降低MOS限流或者降低电池电压，比如给它限制50a或电压降低一半成48v，这样开关发热损耗也降低了一半。不烧管子了。这也是高压控容易烧管子原因，高压控制器和低压的只有开关损耗不一样（开关损耗和电池端电压基本成正比，假设限流一样），导通损耗完全受mos内阻决定，和电池电压没任何关系。我这里说的不一定每个人都需要很懂，大概能知道点就好了，做控制器设计的应该能理解。
其实整个mos开通过程非常复杂。里面变量太多。总之就是开关慢不容易米勒震荡，但开关损耗大，管子发热大，开关速度快理论上开关损耗低（只要能有效抑制米勒震荡），但是往往米勒震荡很厉害（如果米勒震荡很严重，可能在米勒平台就烧管子了），反而开关损耗也大，并且上臂mos震荡更有可能引起下臂mos误导通，形成上下臂短路。所以这个很考验设计师的驱动电路布线和主回路布线技能。最终就是个平衡点（一般开通过程不超过1us）。开通损耗这个最简单，只和导通电阻成正比，想大电流低损耗内阻低的。
4、MOS在电动车控制器中的应用
我们电动车上用的功率mos和平常cmos集成电路中的小功率mos结构是不一样的。小功率mos是平面型结构。而电动车上上用的功率mos是立体结构。平面型结构是指，mos栅极，源级和漏级都在芯片表面（或者说正面），而沟道也在芯片表面横向排列。（我们常见的教科书的介绍mos原理一般都是拿平面结构介绍）。而功率mos的立体结构（沟道是深槽立体结构）是栅极和源级引线从芯片正面引出（其实栅极也不在表面而是内部，只是比较靠近表面），而漏级是从芯片背面引出（其实整个芯片背面都是漏级连接在一起的，整个个漏级用焊接材料直接焊接在金属板上，就是mos的金属背板，一般是铜镀锡的），所以我们见到的mos一般金属板和中间引脚（就是漏级）是完全导通的（有些特殊的封装是可以做到金属板和中间脚绝缘的）。
功率mos内部从漏级到源级是有一个二极管的，这个二极管基本上所有的功率mos都具有，和它本身结构有关系（不需要单独制造，设计本身就有）。当然可以通过改变设计制造工艺，不造出这个二极管。但是这会影响芯片功率密度，要做到同样耐压和内阻，需要更大的芯片面积（因为结构不同）。大家只是知道这回事就行了。
我们所见的mos管，其实内部由成千上万个小mos管并联而成（实际数量一般是上千万个，和芯片面积和工艺有关）。如果在工作中，有一个或几个小管短路，则整个mos表现为短路，
功率mos内部从漏级到源级是有一个二极管的，这个二极管基本上所有的功率mos都具有，和它本身结构有关系（不需要单独制造，设计本身就有）。当然可以通过改变设计制造工艺，不造出这个二极管。但是这会影响芯片功率密度，要做到同样耐压和内阻，需要更大的芯片面积（因为结构不同）。大家只是知道这回事就行了。
我们所见的mos管，其实内部由成千上万个小mos管并联而成（实际数量一般是上千万个，和芯片面积和工艺有关）。如果在工作中，有一个或几个小管短路，则整个mos表现为短路，
当然大电流短路mos可能直接烧断了（有时表现为金属板和黑塑封间开裂），又表现为开路。大家可能会想这上千万个小mos应该很容易出现一个或几个坏的吧，其实真没那么容易，目前的制造工艺基本保证了这些小单位各种参数高度一致性。它们的各种开关动作几乎完全一致，当然最终烧坏时，肯定有先承受不了的小管先坏。所以管子的稳定性和制造工艺密不可分，差的工艺可能导致这些小管的参数不那么一致。有时一点小的工艺缺陷（比如一个1um甚至更小的颗粒如果在关键位置）往往会造成整个芯片（缺陷所在的管芯）报废。
5、Mos封装
5、Mos封装
不同封装方式则内部寄生电感差异很大。电动车上常用的小管（TO-220封装）和大管（TO-247封装）封装电感都挺大，但是之所以它们用量很高，是因为这种结构散热设计比较容易（大功率下散热是非常重要的）。一般大管封装电感是大于小管的。在控制器设计时，mos封装寄生电感需要考虑，但也许无法解决，不过外部布线电感则必须设计合理，尤其是多管并联时做到均匀分配。
大管和小管的优缺点比较（只这两种比）。大管优点，金属背板面积大所以散热好做，封装电阻低（引线粗），所以封装电流可以做到很大（可以200a左右）。大管缺点，占地方大（这个很明显），封装电感稍大。小管优点，占地方小，封装电感稍小。小管缺点，封装电
大管和小管的优缺点比较（只这两种比）。大管优点，金属背板面积大所以散热好做，封装电阻低（引线粗），所以封装电流可以做到很大（可以200a左右）。大管缺点，占地方大（这个很明显），封装电感稍大。小管优点，占地方小，封装电感稍小。小管缺点，封装电
阻大（引线细），封装电流较小（一般120a以下），金属板面积小散热较弱。（封装电流和芯片过流能力是两个完全不同的概念，有的厂家规格书标芯片过流能力，而有的厂家是这两个电流哪个小标哪个。因为小的决定了整个管子的电流能力。
大管和小管简单误区及说明。千万不要认为大管的芯片面积一定大于小管的。有些芯片本来就有不同的封装方式，比如分别用小管和大管封装，其实它们的芯片面积一样大，大管封装只是为了散热更好些或封装电流更大些。所以大管封装里面芯片面积可大可小，同样小管封装里面芯片面积也可大可小。不过大管封装能容纳的最大芯片面积大概是小管封装的2倍（甚至多点）。举例说明，irfb4110用小管封装，芯片已经把小管内部填满了，面积再大小管放不进了，而为了得到更低内阻管子，所以有大管irfp4468，这个芯片面积比irfb4110大了一倍，所以它的内阻低了一半，各种电容大了一倍。所以一个4468的芯片成本是4110的2倍（同样大管封装成本也比小管高）。所以4468比4110贵了差不多一倍（相当于把两个4110封装在一起的等效效果）。
大管和小管简单误区及说明。千万不要认为大管的芯片面积一定大于小管的。有些芯片本来就有不同的封装方式，比如分别用小管和大管封装，其实它们的芯片面积一样大，大管封装只是为了散热更好些或封装电流更大些。所以大管封装里面芯片面积可大可小，同样小管封装里面芯片面积也可大可小。不过大管封装能容纳的最大芯片面积大概是小管封装的2倍（甚至多点）。举例说明，irfb4110用小管封装，芯片已经把小管内部填满了，面积再大小管放不进了，而为了得到更低内阻管子，所以有大管irfp4468，这个芯片面积比irfb4110大了一倍，所以它的内阻低了一半，各种电容大了一倍。所以一个4468的芯片成本是4110的2倍（同样大管封装成本也比小管高）。所以4468比4110贵了差不多一倍（相当于把两个4110封装在一起的等效效果）。
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