1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n浅谈MO S管的开关速度与功耗、EM I的关系宋兴鑫1,2,宋增凤1,2,王秀鑫1,2(1.内燃机可靠性国家重点实验室,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1;2.潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1)摘 要:柴油发动机电控单元在电源模块、喷油驱动模块等部分,用到很多的型号和规格的MO S管。在设计和测试过程中,经常遇到因为MO S管设计不合理导致的一系列问题,例如MO S管开关功耗过大发热严重导致烧毁问题,MO S管开关过程中电压尖峰震荡导致的EM I问题等等。本文从MO S管的工作原理出发,介绍寄生电容电感等对MO S管开
2、关过程和EM I的影响,及开关功耗和EM I的平衡问题。关键词:MO S管;寄生参数;开关速度;功耗;EM I 中图分类号:T K 4 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 2-0 1 0 3-0 3D i s c u s s i o no nT h eR e l a t i o n s h i pb e t w e e nS w i t c h i n gS p e e d,P o w e rC o n s u m p t i o na n dEM Io fMO S F E TS o n gX i n g-x i n1,2,S o n gZ e n
3、 g-f e n g1,2,W a n gX i u-x i n1,2(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE n g i n eR e l i a b i l i t yS h a n d o n gW e i f a n g2 6 1 0 6 1;2.W e i c h a iP o w e rC o.,L t d.S h a n d o n gW e i f a n g2 6 1 0 6 1)A b s t r a c t:T h ee l e c t r o n i cc o n t r o l u n i to fd i e s e l e n
4、 g i n eu s e sm a n yt y p e sa n ds p e c i f i c a t i o n so fMO St u b e s i nt h ep o w e rm o d u l e,f u e l i n j e c t i o nd r i v em o d u l ea n do t h e rp a r t s.I nt h ep r o c e s so fd e s i g na n dt e s t,w eo f t e ne n c o u n t e ras e r i e so f p r o b l e m s c a u s e db
5、y t h eu n r e a s o n a b l ed e s i g no fMO St u b e s,s u c ha s t h eb u r n i n gp r o b l e mc a u s e db ye x-c e s s i v ep o w e rc o n s u m p t i o na n ds e r i o u sh e a t i n go fMO St u b e s,EM I p r o b l e mc a u s e db yv o l t a g e s p i k e s h o c k i n t h ep r o c e s so f
6、MO St u b e ss w i t c h i n ga n ds oo n.S t a r t i n gf r o mt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fMO St u b e,t h i sp a p e r i n t r o-d u c e s t h e i n f l u e n c eo fp a r a s i t i cc a p a c i t a n c ea n di n d u c t a n c eo nt h es w i t c h i n gp r o c e s sa n dEM Io fMO St u b e
7、,a sw e l l a s t h eb a l a n c eb e t w e e ns w i t c h i n gp o w e rc o n s u m p t i o na n dEM I.K e yw o r d s:MO S F E T;P a r a s i t i cp a r a m e t e r;S w i t c h i n gs p e e d;P o w e rc o n s u m p t i o n;EM I作者简介:宋兴鑫(1 9 8 9),男,汉,山东潍坊人,潍柴动力股份有限公司,工程师,本科,主要从事硬件可靠性与功能性方向工作。0 引言图1 MO
8、 S管结构示意图随着柴油发动机排放标准要求的越来越高,绝大部分柴油机厂家采用电控单元和高压共轨的技术,柴油发动机电控单元用到很多的集成芯片,例如MC U、存储芯片、数模转换芯片等需要在低电压(3.3 V)下工作,驱动负载又需要高电压来保证驱动效率,保证尽可能小的动作延时,例如喷油器需要4 8 V-1 1 0 V电压来驱动,但整车只能提供1 2 V或2 4 V电压电源,所以柴油发动机电控单元中有许多B U C K电路和B O O S T电路来进行电压的升降,升降压电路中用到很多规格和型号的MO S管,作为一个开关配合电感等元器件实现电压的升降。MO S管的英文全称是MO S F E T,是一种利
9、用控制输入回路的电压大小来控制输出回路电流的半导体器件,是具有源极(S o u r c e),栅极(G a t e),漏极(D r a i n)和主体(B)端子的四端子元器件。实际使用过程中是控制施加在栅极(G)上的电压来控制源极和漏极之间导通和关断:当施加在栅极上的电压值超过MO S管的开启阈值时MO S管导通,小于MO S管的开启阈值MO S管关断。图1为MO S管结构示意图。1 MO S管工作原理MO S管从工作原理上可以分为两种:增强型场效应管和耗尽型场效应管。以增强型MO S管为例,漏极D和源极S之间是两个背靠背的P N结。当栅极和源极之间电压VG S=0时,即使漏极和源极之间的电压
10、VD S大于0,因为总有一个P N结处于反偏状态,源级和漏极无法导通,这时漏极电流ID=0。若在栅极和源极间加上正向电压,则栅极和硅衬底之间的S i O2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场,由于S i O2是绝缘的,栅极所加电压VG S无法形成电流,氧化物层的两边就形成了一个电容,VG S等同于是对这个电容进行充电,随着VG S逐渐的升高,受栅极正电压的吸引,多数载流子被吸引到栅极侧,形成一个从漏极到源极的N型导电沟道,当VG S电压值大于MO S管的开启阈值时,N沟道开始导通,形成漏极电流ID,我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压。图2为MO S管工作301DOI:10.1
11、9475/ki.issn1674-957x.2023.02.0142 0 2 3年第2期原理示意图。图2 MO S管工作原理示意图2 MO S管寄生参数及开关功耗MO S管的开关过程不是上述工作原理中讲的绝对理想过程:满足开启电压便开启,小于阈值电压便关断。由于生产工艺及元器件本身原因,MO S管中存在势垒电容和扩散电容,栅极、源级和漏极两两之间存在寄生电容,栅级和漏极之间的寄生电容称为Cg d,栅级和源极之间的寄生电容称为Cg s,漏极和源级之间寄生电容称为Cd s,MO S管中寄生电容存在的示意图见图3,MO S管的开关过程首先就是寄生电容的充放电过程,在进行电控单元产品设计和测试时,要充
12、分考虑寄生电容的影响。图3 MO S管寄生电容示意图MO S管在开启时,首先要对寄生电容进行充电,寄生电容充放电时间影响到MO S管的开关速度和开关功耗。下面我们以图4为例,结合栅极电压、漏源电压以及漏极电流的三者之间的关系,对MO S F E T开通过程进行分析。图4 MO S管开通过程示意图t 0-t 1过程,从t 0时刻开始,Vg s开始上升的时候,栅极驱动电流为Cg s充电,Vg s上升,在此过程中,Vd s保持不变,Id为零。一直到t 1时刻,Vg s上升到Vg s(t h),达到栅极开启阈值时,漏极电流开始形成。在t 1时刻以前,导电沟道未形成,MO S管处于截止状态,Id没有变化
13、保持为零。t 1-t 2过程,Vg s达到MO S管的开启电压,MO S管进入线性区,Id缓慢上升到t 2时刻时Id到达最大电流,在此过程,由于MO S管未完全导通,漏极和源级承受施加在两极上大部分电压值。t 2-t 3过程,从t 2时刻开始,Id达到最大值并保持,MO S管工作在饱和区。Vg s保持固定不变,电压Vd s开始快速下降,在此过程中Cg s,不在消耗电荷。栅极电压Vg s达到稳定状态,俗称米勒平台,在这个过程中,Id保持不变,Vd s持续减小,MO S管逐渐打开。t 3之后的过程,MO S F E T工作在线性电阻区。栅极电流同时给Cg s和Cg d充电,栅极电压Vg s又开始继
14、续上升。由于栅极电压增加,MO S管的导电沟道开始逐渐变宽,导通压降进一步降低,直至降低到0。当Vg s增加到一定电压时,MO S管进入完全导通状态。MO S管开关损耗产生的本质原因是级间电容的存在,栅极驱动能力有限值,对MO S管的充放电过程不是一蹴而就的,MO S管开通和关断并不能瞬间完成,施加在MO S管上的电压和电流存在重叠区,尤其是米勒平台的存在,导致电压和电流同时存在的时间变长,电压和电流的同时存在是MO S管功耗产生的根本原因。要想减小MO S管开关功耗,根本措施是减小MO S管中电流和电压同时存在的时间。采取加大栅极驱动电路带载能力的方法,加快级间电容的充电速度减小重叠区,但要
15、防止栅极驱动电压的出现震荡,震荡电压的存在极易导致MO S管功耗过大而烧毁。此外,增大栅极驱动能力,减小MO S管开启时间,还可能会引起其他电磁兼容EM I方面的问题。3 MO S F E T开关过程导致EM I问题如上文所述,MO S管各个管脚之间存在寄生电容,影响MO S管开关功耗,同时又因为焊接工艺和P C B布线的原因,MO S管各个管脚存在寄生电感,如下图9中的L n s所示。由于寄生电感储存能量,MO S管在开关过程中漏极往往会产生很大的电流变化(d i/d t)或电压变化(d u/d t),极易在MO S管的漏极产生很大的电压或者电流尖峰,影响开关过程漏极电压及电流波形频谱的幅值
16、,开关过程产生的高频干扰信号通过各种途径耦合到其他正常电路,影响其他电路正常工作,甚至导致其他部件损坏。电气系统中EM I问题一般是由变化的电流或者变化的电压产生,那么消除EM I的常规方法是降低电流(d i/d t)或者电压(d u/d t)变化的大小或者频率,一种方法可以通过使用提高栅极电阻阻值来实现,降低栅极充电电流,Cg s达到饱和的时间变长,MO S管开启时间变长,从而降低电流(d i/d t)或者电压变化(d u/d t)速率,但是较高的栅极电阻会显着增加开关损耗,造成MO S管发热严重,极端情况甚至会导致MO S管烧毁,所以使用增加栅极电阻的方法时要做好热负荷仿真和高低温试验工作。此外在保证负载驱动效果的前提下,还可以采用降低MO S管开关频率的方法,将PWM驱动的MO S管,驱动频率降低,在系统层面降低电流(d i/d t)或者电压(d u/d t)变化频率,此种方法一般会在低频段起作用,在案例3.1中我们会举例说明。除增加栅极电阻和降低PWM驱动MO S管的开关频率,还可以在源级和漏极之间增加吸收R C吸收电路,如图5所示,通过R C电路吸收MO S管开关过程中的尖峰
