你的MOSFET为什么发热那么严重？
在开关电源电路中，mosfet作为最核心的器件，却也是最容易发热烧毁的，那么mosfet到底承受了什么导致发热呢？本文来带你具体分析。
mosfet工作原理
什么是mosfet？mosfet是全称为metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管的半导体。
它可分为npn型和pnp型。npn型通常称为n沟道型，pnp型通常称p沟道型。如图1所示，对于n沟道型的场效应管其源极和漏极接在n型半导体上，同样对于p沟道的场效应管，如图2所示，其源极和漏极则接在p型半导体上。无论n型或者p型mos管，其工作原理是一样的，都是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流 (或称输入回路的电场效应)，故可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
当mosfet处于工作状态时，mosfet截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。p基区与n漂移区之间形成的pn结j1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压ugs，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。
图1 n沟道型mosfet
图2 p沟道型mosfet
mosfet发热影响因素
mos管的数据手册中通常有以下参数：导通阻抗rds（on），栅极（或驱动）电压 vgs 以及流经开关的电流漏源极电流id，rds（on）与栅极（或驱动） 电压vgs 以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，rds（on）是一个相对静态参数。一直处于导通的mos管很容易发热。除此之外，慢慢升高的结温也会导致rds（on）的增加。随着rds的增加，导致功率管的损耗增加，从而导致发热现象，这也是mosfet发热的根本原因。
那么总结导致发热的主要因素主要有以下几点：
电路设计问题，mos管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态，mos管导通过程时间过长导致，如图3所示为开关管导通过程。例如：让n-mos做开关，g级电压就要比电源高几v才能完全导通，而p-mos则相反。没有完全导通，由于等效直流阻抗较大，所以压降增大，vds*id也增大，从而造成损耗过大导致发热。
功率管的驱动频率太高，频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。主要是有时过分追求体积，导致频率提高，mos管上的损耗增大。
功率管选型不当，导通阻抗(rds(on))确实是最为关键品质因数，然而开关损耗与功率管的cgd和cgs也有关，大部分工程师会优先选用低导通电阻的mos管，然而内阻越小，cgs和cgd电容越大，所以选择功率管时够用就行，不能选择太小的内阻。
通过漏极和源极的导通电流id过大，造成这样的原因主要是没有做好足够的散热设计，mos管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以id小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。
图3 开关管导通过程
如何测试功率损耗？
为了解决mos管发热问题，要准确判断是否是以上几种原因造成，更重要的是对开关管功率损耗进行正确的测试，才能发现问题所在，从而找对改善的关键点。那么我们可以通过示波器来观看开关管波形，来判断驱动频率是否过高，以及测试g极驱动电压的大小、通过漏源极的id电流大小等，并直接测试出开关管的功率损耗。
mos管工作状态有四种，开通过程、导通状态、关断过程，截止状态。
mos管主要损耗：开关损耗，导通损耗，截止损耗，还有能量损耗，开关损耗往往大于后者，小部分能量体现在“导通状态”，而“关闭状态”的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。具体使用下面公式计算：
eswitch=eon+econd+eoff=(pon+pcond+poff)∙ts
图4 mos管工作全过程
图5 mosfet导通功耗波形
通过示波器的电源测试软件中的开关损耗测试功能，可得到以下开关管的功率损耗测试结果，如图6。通过结果我们可以判断开关管的具体通断波形以及电压、电流值，并得到整个开关过程中开启、关闭过程以及导通部分的损耗，从而可以判断出有问题的部分，进行排查改善。
图6 开关管波形实际测试图
致远电子zds5000示波器内部集成了电源测试软件，可以直接对开关管的mosfet进行全过程各个部分的功率损耗测试。对于某些开关元器件，开关周期损耗不尽相同，且开关管开通和关断时间很短，如boost-pfc，因此不能用通过测量一个开关周期（如80khz）评估整体损耗。zds5000系列示波器有512m的存储深度，可以对pfc等高速功率管进行高采样率的半波分析，因此能够测量的更准确，如图7所示。
图7 pfc半周波测试
文章来源：zlg致远电子
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它可分为npn型和pnp型。npn型通常称为n沟道型，pnp型通常称p沟道型。如图1所示，对于n沟道型的场效应管其源极和漏极接在n型半导体上，同样对于p沟道的场效应管，如图2所示，其源极和漏极则接在p型半导体上。无论n型或者p型mos管，其工作原理是一样的，都是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流 (或称输入回路的电场效应)，故可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
当mosfet处于工作状态时，mosfet截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。p基区与n漂移区之间形成的pn结j1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压ugs，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。
图1 n沟道型mosfet
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那么总结导致发热的主要因素主要有以下几点：
电路设计问题，mos管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态，mos管导通过程时间过长导致，如图3所示为开关管导通过程。例如：让n-mos做开关，g级电压就要比电源高几v才能完全导通，而p-mos则相反。没有完全导通，由于等效直流阻抗较大，所以压降增大，vds*id也增大，从而造成损耗过大导致发热。
功率管的驱动频率太高，频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。主要是有时过分追求体积，导致频率提高，mos管上的损耗增大。
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通过漏极和源极的导通电流id过大，造成这样的原因主要是没有做好足够的散热设计，mos管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以id小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。
图3 开关管导通过程
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图6 开关管波形实际测试图
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图7 pfc半周波测试
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