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功率器件在近幾年的市場方面發展的非常火爆，尤其是 MOS 管，他主要應用在電源適配器，電池管理系統以及逆變器和電機控制系統中。 而隨著計算器主板，AI 顯卡，服務器等行業的爆發，低壓功率 MOS 管將再次迎來爆發性的市場需求。 在開關電源應用領域，由于電源的 Controller 做的已經非常完善，且大部分 Controller 為純硬件控制，廠家一般也會對布局布線和 MOS 的驅動做專門的優化，因此在開關電源應用中的 MOS 燒壞的情況比較少，大部分表現為過熱。 而在電池管理系統，和電機控制系統以及逆變器系統中，MOS 管的燒壞概率就變得非常大，其原因在于，電池管理系統的保護瞬間電流突變，電機和逆變器系統中的 MOS 帶載都是非常大的感性負載，尤其是電機控制還面臨著制動帶來的反向電動勢，都對 MOS 管的工作電壓和電流提出了更大的挑戰。 今天我們趁熱打鐵，分析一下 MOS 管最常見的 6 個失效模式。 失效模式 雪崩失效雪崩失效指的就是過壓擊穿，也就是我們常常說的漏極和源極之間的電壓超過了 MOSFET 的額定電壓，并且達到了 MOSFET 耐受的極限，從而導致 MOSFET 失效。 SOA 失效SOA 失效指的是過流損壞，也就是說，電流超過了 MOSFET 的安全工作區引起的失效，一般是由于 Id 超過了器件規格測定的最大值，使得 MOSFET 的熱損耗過大，長期熱量累積而導致的失效。 靜電失效靜電失效比較好理解，幾乎任何電子元器件都面臨靜電問題，尤其是在北方干燥的冬天。要知道，MOS 管的一般靜電耐受是 500V，非常的脆弱，所以冬天我們在操作 MOS 管的時候還是盡量使用防靜電手環和鑷子。 柵極擊穿柵極擊穿指的是柵極遭受異常電壓導致柵極柵氧化層失效，一般我們驅動 MOS 管的 Vgs 設定在 12V，器件手冊中雖然標注了 Vth 一般在 2-5V，但是對于不同的 Vgs 會對應不同的 Rdson，因此我們通常選用 12V 或者 15V 來保證 MOSFET 的完全開啟。而這個電壓并不能像 MOS 的 Vds 一樣具備很高的耐電壓能力，Vgs 一般會被限制在 20V 以內，超過 20V 將有可能擊穿柵極。 柵極擊穿后，一般使用萬用表可以測量出來，GS 之間短路，而 DS 之間正常成高阻態。 諧振失效無論是電池管理系統，還是逆變器和電機控制領域，我們通常會使用 MOS 的多并聯設計，由于 MOSFET 本身參數的不一致性會導致每個 MOSFET 的柵極及電路寄生參數不同，在一同開關的時候，由于開通的先后順序問題引起開關震蕩，進一步損壞MOSFET，因此在并聯使用的時候一定要注意布局布線，以及 MOS 的Vth 選擇和供應鏈管理，這一點我將專門另一起篇文章討論。 體二極管失效在電機控制，橋式整流和 LLC 等控制系統中，我們需要利用 MOSFET 的體二極管進行續流，一般情況下體二極管的反向恢復時間會比較慢，因此容易出現過功率而導致體二極管失效。因此一般控制頻率比較高的系統中，我們需要在 MOSFET 外面并聯一個快恢復二極管或者肖特基。下面，我們就過壓擊穿和過流燒毀再詳細分析一下它的失效過程和預防措施 雪崩失效及其預防 簡單來說，MOSFET 在電源板上由于母線電壓，變壓器反射電壓，電機的反向電動勢，漏感尖峰電壓等等系統中的高壓交疊之后，都將疊加在 MOSFET 的漏源極之間。MOSFET 的手冊中一般會包含單面沖雪崩能量 Eas、重復脈沖雪崩能量 Ear 和單次脈沖雪崩電流 Ias 等參數，這些參數反映了該功率 MOSFET 的雪崩能力。 我們可以看到，這個寄生的 BJT 是直接并聯在 MOSFET 上面的，因此，當 MOSFET 漏極存在一個大電流 Id 和高壓 Vd 時，器件內部的電離作用加劇，出現大量的空穴電流，這些電流流過 Rb 電阻進入源極就導致了寄生三極管的基極電勢升高，也就是 Vb 會升高，那么寄生三極管就會導通，從而發生雪崩擊穿，所以，其內部是由于過壓產生了電流流入了寄生三極管，三極管導通了，就等于 MOSFET 也導通了。 預防的措施：雪崩失效歸根結底是電壓失效，因此預防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。1：合理降額使用，目前行業內的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據企業的保修條款及電路關注點進行選取。2：合理的變壓器反射電壓。3：合理的RCD及TVS吸收電路設計。4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結構，盡量減少布線寄生電感。5：選擇合理的柵極電阻Rg。6：在大功率電源中，可以根據需要適當的加入RC減震或齊納二極管進行吸收。 SOA失效機器預防SOA失效是指電源在運行時異常的大電流和電壓同時疊加在MOSFET上面，造成瞬時局部發熱而導致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時達到熱平衡導致熱積累，持續的發熱使溫度超過氧化層限制而導致的熱擊穿模式。關于SOA各個線的參數限定值可以參考下面圖片，每個 MOSFET 的數據手冊里面都有。 下面我們分析下圖中標注的 5 個區域的含義 這個地方主要限制最大的額定電流和脈沖電流，因為此刻的橫軸顯示電壓很低，那么更多的是大電流導致的 SOA 失效。 在 2 的區域內屬于電流電壓都安全的區域，但是也要看器件的結溫(取決于 Rdson 大小)，如果結溫超過了 150 度，也會導致 SOA 失效。 在 3 號區域內，我們可以看到根據不同的時間被擴展了三次，分別對應著 10ms，1ms 和 100us，這里主要看器件的耗散功率，本質上是能夠承受住 10ms 的最大電流值。 在 4 號區域，這是一個電流值封頂的區域，這里指的就是脈沖電流的最大值的限制，超過了就會導致 SOA 失效。 在 5 號區域，這是一個電壓的封頂區域，這里主要限制 Vds 上的電壓。 我們電路中的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區的范圍內(2 和 3)，就能有效的規避由于MOSFET而導致的電源失效問題的產生。預防措施： 確保在最差條件下，MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內。 將OCP功能一定要做精確細致。在進行OCP點設計時，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量，然后就根據IC的保護電壓比如0.7V開始調試RSENSE電阻。另外有些MOSDriver 還集成了過流保護功能，也可以嘗試，就是貴。 合理的熱設計冗余也是非常必要的，對于額定電流和最大電流工作時間的可靠性測試必不可少，記得疊加上工作環境溫度。 |
