Mos管选型入门：别只看Id和Rds,还要会算损耗和温升-171主机测评

1.为什么mos管选型很重要？

在电源、电机驱动、逆变器和机器人关节驱动器中，MOS管是最常见的功率开关器件。很多初学者（跟我一样）刚开始选MOS管时，第一眼只会两个参数：漏源极耐压值Vds和连续漏极电流Id。比如翻看datasheet手册时，看到Vds=100V、Id=100A，就认为这个mos管一定够用了，但是在实际工程中，MOS管能不能稳定工作，不能只看这两个因素，还需要考虑开关、导通损耗、热阻、封装、结温、成本等。

本文将从硬件初学者的角度出发，介绍MOS管选型的基本思路，讲清楚导通损耗、开关损耗和结温的计算方法。

2.MOS管的基本作用

在电源和电机驱动电路中，MOS管常常被当做“高速电子开关”使用。你可以理解为，它是一个由栅极控制的开关：栅极加适当电压，D-S导通；栅极电压撤掉时，D-S关断。下面是一些典型应用

应用场景MOS 管作用

Buck 降压电源	高频开关
Boost 升压电源	主功率开关
反激电源	原边开关管
三相逆变桥	控制电机三相电流

3.MOS 管选型的核心参数

参数中文含义选型时怎么理解

$(V_{DSS})$	漏源耐压	决定 MOS 管能承受多高母线电压
	连续漏极电流	只能参考，不能直接按标称值使用
$(R_{DS(on)})$	导通电阻	阻值越小导通损耗越低，一般手册会给出一个典型值和最大值，这是因为导通阻值会随温度而变化
	总栅极电荷	越大越难驱动，开关可能越慢；MOS管不是普通电源，它的G极像一个电容。每次开关，驱动芯片都要给栅极充放电，导致Qg越大，mos管越难驱动
$(C_{iss})$	输入电容	影响栅极驱动速度，Ciss越大，栅极越难充电，开关就越慢，对驱动芯片要求越高
	开通/关断时间	影响开关损耗和 EMI
$R_{\\theta JA}$	结到环境热阻	决定 MOS 发热后温度升高多少
封装	器件外形与散热结构	影响散热、电流能力和 PCB 布局
体二极管/Qrr	反向恢复特性	电机驱动和同步整流中很重要

4.Vdss：耐压应该怎么选

VDSS是MOS管漏极源极之间最大的可承受电压，如果超过这个电压，MOS很可能发生击穿，无法使用，一下是经验表，仅供参考

系统母线推荐 MOS 耐压

12V 系统	30V / 40V
24V 系统	40V / 60V
36V 系统	60V / 80V
48V 系统	80V / 100V
220VAC 整流后约 310VDC	600V / 650V

需要说明的是：选型时，不能仅仅考虑系统电压，还要考虑到运行时的电压尖峰、反电动势、振铃等。比如 48V 电机驱动，不能简单选 60V MOS，更常见是选 80V 或 100V。

5.为什么不能只看电流Id？

datasheet 中 I_D 往往是在特定条件下测得的，例如壳温 TC=25℃、理想散热条件等。
实际 PCB 上，MOS 管周围温度、铜皮面积、封装散热和风道都不同，所以标称 100A 的 MOS 管，并不代表在你的板子上就能长期跑 100A。一般会有不同条件下的 I_D ：Silicon limit，Package limit，Thermal limit

限制类型含义

Silicon limit	硅芯片本体能承受的电流
Package limit	封装、引脚、键合结构能承受的电流
Thermal limit	发热和结温决定的实际电流

工程上不要按 I_D 直接判断 MOS 管够不够，而是应该计算损耗和结温。

6.损耗计算

MOS损耗主要可以分为6大类：导通损耗、开关损耗、栅极驱动损耗、体二极管损耗、反向恢复损耗、输出电容损耗。这里仅仅介绍两个比较重要的损耗：导通损耗和开关损耗。

6.1导通损耗

MOS 管导通后不是理想短路，而是相当于一个很小的电阻 $R_{ds(on))}$ 。
电流流过这个电阻，就会产生导通损耗。

计算公式：

$P_{cond}=I_{rms}^2*R_{ds(on)}$

但是这个等效阻值 $R_{ds(on))}$ 并不是一成不变的，它会随着温度的升高而变大，因此在计算导通损耗时，往往会加上一个温度修正系数KT

$P_{cond}=I_{rms}^2*R_{ds(on)}*K_{T}$

$K_{T}$ yi一般取1.2-1.8.

举例说明：

6.2.开关损耗计算

MOS管在开通和关断瞬间，电压和电流会有一段重叠的时间。这段时间内，MOS 管既承受电压又流过电流，因此会产生开关损耗。

公式：

$P_{sw} = 1/2V_{DS}I_{D}(t_{r}+t_{f})f_{sw}$

公式中变量各个含义如下：

符号含义

$V_{DS}$	开关时 MOS 承受的电压
	开关瞬间电流
	开通时间
	关断时间
$f_{sw}$	开关频率

这里举一个例子：

高频电源由于开关频率可以达到几百KHZ，甚至上MHZ,因此更关注开关损耗；而低压大电流的电机驱动通常导通损耗的占比更大，更关注导通损耗。

7.热阻、温升和结温计算

上一节我们介绍了，MOS管的更种损耗，这种损耗最终都会变成热量，这就不得不考虑MOS管的工作温升了。热量从芯片内部传到封装，再传到PCB、散热片，最后到空气中。而这个散热路径上的阻力，就叫做热阻。热阻单位是：℃/W意思是：每产生1W的热量，温度会上升多少度。下面对MOS管datasheet里常见的热阻参数进行介绍

7.1 $R_{\\theta JA}$ :结到环境热阻

$R_{\\theta JA}$ 其中J 是 Junction，表示结，也就是芯片内部。A 是 Ambient，表示环境。所以 $R_{\\theta JA}$ 表示热量从芯片内部传到周围空气的总热阻。

如果 MOS 管没有额外散热片，只是焊在 PCB 上，那么初步估算可以用：

2. $R_{\\theta JC}$ ;结到壳的热阻

$R_{\\theta JC}$ ，C是Case,外壳，表示热量从芯片内部传到器件外壳的热阻。这个参数通常比 $R_{\\theta JA}$ 小很多。例如：

参数数值

$R_{\\theta JC}$	1.5 ℃/W
$R_{\\theta JA}$	50 ℃/W

为什么差这么多？

因为从芯片到外壳这段路径比较短，热比较容易传出去；但是从外壳到空气，中间还要经过 PCB、散热片、空气对流，这部分才是真正难散热的地方。

如果 MOS 管有散热片，就不能只看 $R_{\\theta JA}$ ，而应该看完整热路径:

参数含义

(R_{\\theta JC})	结到壳热阻
(R_{\\theta CS})	壳到散热片热阻
(R_{\\theta SA})	散热片到环境热阻

例如某个MOS管热阻为：RθJA=40∘C/W

参数含义

$(R_{\\theta JC})$	结到壳热阻
$(R_{\\theta CS})$	壳到散热片热阻
$(R_{\\theta SA})$	散热片到环境热阻

如果它的损耗功率为2W，那么温升约为：

$T_{j}=T_{A}+P_{loss}*R_{\\theta JA}=40+2*40=120$

Mos管选型入门：别只看Id和Rds,还要会算损耗和温升

1.为什么mos管选型很重要？

2.MOS管的基本作用

3.MOS 管选型的核心参数

4.Vdss：耐压应该怎么选

5.为什么不能只看电流Id？