功率MOS管总烧毁的原因有哪些

发布时间:2024-01-15 15:39
作者:AMEYA360
来源:网络
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  MOS 管可能会遭受与其他功率器件相同的故障,例如过电压(半导体的雪崩击穿)、过电流(键合线或者衬底熔化)、过热(半导体材料由于高温而分解)。

功率MOS管总烧毁的原因有哪些

  更具体的故障包括栅极和管芯其余部分之前的极薄氧化物击穿,这可能发生在相对于漏极或者源极的任何过量栅极电压中,可能是在低至10V-15V 时发生,电路设计必须将其限制在安全水平。

  还有可能是功率过载,超过绝对最大额定值和散热不足,都会导致MOS管发生故障。

  接下来就来看看所有可能导致失效的原因。

  过电压

  MOS管对过压的耐受性非常小,即使超出额定电压仅几纳秒,也可能导致设备损坏。

  MOS管的额定电压应保守地考虑预期的电压水平,并应特别注意抑制任何电压尖峰或振铃。

  长时间电流过载

  由于导通电阻相对较高,高平均电流会在MOS管中引起相当大的热耗散。

  如果电流非常高且散热不良,则MOS管可能会因温升过高而损坏。

  MOS管可以直接并联以共享高负载电流。

  瞬态电流过载

  持续时间短、大电流过载会导致MOS管器件逐渐损坏,但是在故障发生前MOS管的温度几乎没有明显升高,不太能察觉出来。(也可以看下面分析的直通和反向恢复部分)

  击穿(交叉传导)

  如果两个相对MOS管的控制信号重叠,则可能会出现两个MOS管同时导通的情况,这会使电源短路,也就是击穿条件。

  如果发生这种情况,每次发生开关转换时,电源去耦电容都会通过两个器件快速放电,这会导致通过两个开关设备的电流脉冲非常短但非常强。

  通过允许开关转换之间的死区时间(在此期间两个MOS管均不导通),可以最大限度地减少发生击穿的机会,这允许一个MOS管在另一个MOS管打开之前关闭。

  没有续流电流路径

  当通过任何电感负载(例如特斯拉线圈)切换电流时,电流关闭时会产生反电动势。在两个开关设备都没有承载负载电流时,必须为此电流提供续流路径。

  该电流通常通过与每个开关器件反并联连接的续流二极管安全地引导回电源轨道。

  当MOS管用作开关器件时,工程师可以简单获得MOS管固有体二极管形式的续流二极管,这解决了一个问题,但创造了一个全新的问题......

  MOS管体二极管的缓慢反向恢复

  诸如特斯拉线圈之类的高 Q 谐振电路能够在其电感和自电容中存储大量能量。

  在某些调谐条件下,当一个MOS管关闭而另一个器件打开时,这会导致电流“续流”通过 MOS管的内部体二极管。

  这个原本不是什么问题,但当对面的MOS管试图开启时,内部体二极管的缓慢关断(或反向恢复)就会出现问题。

  与MOS管 自身的性能相比,MOS管 体二极管通常具有较长的反向恢复时间。如果一个 MOS管的体二极管在对立器件开启时导通,则类似于上述击穿情况发生“短路”。

  这个问题通常可以通过在每个MOS管周围添加两个二极管来缓解。

  首先,肖特基二极管与MOS管源极串联,肖特基二极管可防止MOS管体二极管被续流电流正向偏置。其次,高速(快速恢复)二极管并联到MOS管/肖特基对,以便续流电流完全绕过MOS管和肖特基二极管。

  这确保了MOS管体二极管永远不会被驱动导通,续流电流由快恢复二极管处理,快恢复二极管较少出现“击穿”问题。

  过度的栅极驱动

  如果用太高的电压驱动MOS管栅极,则栅极氧化物绝缘层可能会被击穿,从而导致MOS管无法使用。

  超过 +/- 15 V的栅极-源极电压可能会损坏栅极绝缘并导致故障,应注意确保栅极驱动信号没有任何可能超过最大允许栅极电压的窄电压尖峰。

  栅极驱动不足(不完全开启)

  MOS管只能切换大量功率,因为它们被设计为在开启时消耗最少的功率。工程师应该确保MOS管硬开启,以最大限度地减少传导期间的耗散。

  如果MOS管未完全开启,则设备在传导过程中将具有高电阻,并且会以热量的形式消耗大量功率,10到15伏之间的栅极电压可确保大多数MOS管完全开启。

  缓慢的开关转换

  在稳定的开启和关闭状态期间耗散的能量很少,但在过渡期间耗散了大量的能量。因此,应该尽可能快地在状态之间切换以最小化切换期间的功耗。由于MOS管栅极呈现电容性,因此需要相当大的电流脉冲才能在几十纳秒内对栅极进行充电和放电,峰值栅极电流可以高达一个安培。

  杂散振荡

  MOS管 能够在极短的时间内切换大量电流,输入也具有相对较高的阻抗,这会导致稳定性问题。在某些条件下,由于周围电路中的杂散电感和电容,高压MOS管会以非常高的频率振荡。(频率通常在低 MHz),但这样是非常不受欢迎的,因为它是由于线性操作而发生的,并且代表了高耗散条件。

  这种情况可以通过最小化MOS管周围的杂散电感和电容来防止杂散振荡,还应使用低阻抗栅极驱动电路来防止杂散信号耦合到器件的栅极。

  “米勒”效应

  MOS管在其栅极和漏极端子之间具有相当大的“米勒电容”。在低压或慢速开关应用中,这种栅漏电容很少引起关注,但是当高压快速开关时,它可能会引起问题。

  当底部器件的漏极电压由于顶部MOS管的导通而迅速上升时,就会出现潜在问题。

  这种高电压上升率通过米勒电容电容耦合到MOS管的栅极,会导致底部MOS管的栅极电压上升,从而导致MOS管也开启,就会存在击穿情况,即使不是立即发生,也可以肯定MOS管故障。

  米勒效应可以通过使用低阻抗栅极驱动器来最小化,该驱动器在关闭状态时将栅极电压钳位到 0 伏,这减少了从漏极耦合的任何尖峰的影响。在关断状态下向栅极施加负电压可以获得进一步的保护。例如,向栅极施加 -10 V电压将需要超过12V的噪声,以冒开启本应关闭的MOS管的风险。

  对控制器的辐射干扰

  想象一下,将 1pF 的电容从你的火花特斯拉线圈的顶部连接到固态控制器中的每个敏感点的效果,存在的数百千伏射频可以毫无问题地驱动大量电流通过微型电容器直接进入控制电路。

  如果控制器没有放置在屏蔽外壳中,这就是实际会发生的情况。

  控制电路的高阻抗点几乎不需要杂散电容即可导致异常操作,但运行不正常的控制器可能会尝试同时打开两个相反的MOS管 ,控制电子设备的有效射频屏蔽至关重要。

  分离电源和控制电路也是非常理想的,电源开关电路中存在的快速变化的电流和电压仍然具有辐射显着干扰的能力。

  对控制器的传导干扰

  大电流的快速切换会导致电源轨上的电压骤降和瞬态尖峰。如果电源和控制电子设备共用一个或多个电源轨,则可能会对控制电路产生干扰。

  良好的去耦和中性点接地是应该用来减少传导干扰影响的技术。作用于驱动MOS管的变压器耦合在防止电噪声传导回控制器方面非常有效。

  静电损坏

  安装MOS管或IGBT器件时,应采取防静电处理措施,以防止栅氧化层损坏。

  高驻波比

  这里要着重说一下,来自一位专业射频工程师的解释。

  在脉冲系统中,VSWR不像在CW系统中那么大,但仍然是一个问题。

  在CW系统中,典型的发射器设计用于50欧姆的电阻输出阻抗。工程师通过某种传输线连接到负载,希望负载和线路也是50欧姆,并且电力沿电线很好地流动。

  但如果负载阻抗不是50欧姆,那么一定量的功率会从阻抗不连续处反射回来。但反射功率会导致几个潜在问题:

  1、发射器看起来像一个负载并吸收了所有的功率,这不是一个好的现象。

  例如,你的放大器效率为80%,你输入的功率1KW,通常情况下,设备的功耗为200W,最终的功耗为800W,如果所有800W的功耗都被反射回来,忽然之间,这些设备就需要消耗全部的功耗。

  2、前向波和反射波的组合会在传输线中产生驻波,在相距1/2波长的点处会变得非常高,从而导致击穿或者其他不良情况,这本质上是表现负载阻抗不是预期的结果。

  如果你有一个射频电源在几十兆赫兹,你可以装配一个开放的平行线传输线,在脉冲系统中,你可能会遇到沿线路传播的脉脉冲、阻抗不连续性、反射回以及与发送的下一个脉冲相加的问题。

  反射脉冲是相同极性还是不同极性取决于距离和相对阻抗。

  如果你有几个不匹配,可能会得到很多来回移动的脉冲,这些脉冲会加强或者取消。这个对于商业配电来说是一个真正的大问题,因为沿线路的传播时间是线路频率周期的很大一部分,当断路器打开和关闭以及雷击时会引起问题。

  以上就是关于MOS管烧毁的原因分析。

(备注:文章来源于网络,信息仅供参考,不代表本网站观点,如有侵权请联系删除!)

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2024-06-28 10:10 阅读量:473
MOS管失效的六大原因
  功率器件在近几年的市场方面发展的非常火爆,尤其是 MOS 管,他主要应用在电源适配器,电池管理系统以及逆变器和电机控制系统中。  而随着计算器主板,AI 显卡,服务器等行业的爆发,低压功率 MOS 管将再次迎来爆发性的市场需求。  在开关电源应用领域,由于电源的 Controller 做的已经非常完善,且大部分 Controller 为纯硬件控制,厂家一般也会对布局布线和 MOS 的驱动做专门的优化,因此在开关电源应用中的 MOS 烧坏的情况比较少,大部分表现为过热。  而在电池管理系统,和电机控制系统以及逆变器系统中,MOS 管的烧坏概率就变得非常大,其原因在于,电池管理系统的保护瞬间电流突变,电机和逆变器系统中的 MOS 带载都是非常大的感性负载,尤其是电机控制还面临着制动带来的反向电动势,都对 MOS 管的工作电压和电流提出了更大的挑战。  今天我们趁热打铁,分析一下 MOS 管最常见的 6 个失效模式。  失效模式 雪崩失效雪崩失效指的就是过压击穿,也就是我们常常说的漏极和源极之间的电压超过了 MOSFET 的额定电压,并且达到了 MOSFET 耐受的极限,从而导致 MOSFET 失效。  SOA 失效SOA 失效指的是过流损坏,也就是说,电流超过了 MOSFET 的安全工作区引起的失效,一般是由于 Id 超过了器件规格测定的最大值,使得 MOSFET 的热损耗过大,长期热量累积而导致的失效。  静电失效静电失效比较好理解,几乎任何电子元器件都面临静电问题,尤其是在北方干燥的冬天。要知道,MOS 管的一般静电耐受是 500V,非常的脆弱,所以冬天我们在操作 MOS 管的时候还是尽量使用防静电手环和镊子。  栅极击穿栅极击穿指的是栅极遭受异常电压导致栅极栅氧化层失效,一般我们驱动 MOS 管的 Vgs 设定在 12V,器件手册中虽然标注了 Vth 一般在 2-5V,但是对于不同的 Vgs 会对应不同的 Rdson,因此我们通常选用 12V 或者 15V 来保证 MOSFET 的完全开启。而这个电压并不能像 MOS 的 Vds 一样具备很高的耐电压能力,Vgs 一般会被限制在 20V 以内,超过 20V 将有可能击穿栅极。  栅极击穿后,一般使用万用表可以测量出来,GS 之间短路,而 DS 之间正常成高阻态。  谐振失效无论是电池管理系统,还是逆变器和电机控制领域,我们通常会使用 MOS 的多并联设计,由于 MOSFET 本身参数的不一致性会导致每个 MOSFET 的栅极及电路寄生参数不同,在一同开关的时候,由于开通的先后顺序问题引起开关震荡,进一步损坏MOSFET,因此在并联使用的时候一定要注意布局布线,以及 MOS 的Vth 选择和供应链管理,这一点我将专门另一起篇文章讨论。  体二极管失效在电机控制,桥式整流和 LLC 等控制系统中,我们需要利用 MOSFET 的体二极管进行续流,一般情况下体二极管的反向恢复时间会比较慢,因此容易出现过功率而导致体二极管失效。因此一般控制频率比较高的系统中,我们需要在 MOSFET 外面并联一个快恢复二极管或者肖特基。下面,我们就过压击穿和过流烧毁再详细分析一下它的失效过程和预防措施  雪崩失效及其预防  简单来说,MOSFET 在电源板上由于母线电压,变压器反射电压,电机的反向电动势,漏感尖峰电压等等系统中的高压交叠之后,都将叠加在 MOSFET 的漏源极之间。MOSFET 的手册中一般会包含单面冲雪崩能量 Eas、重复脉冲雪崩能量 Ear 和单次脉冲雪崩电流 Ias 等参数,这些参数反映了该功率 MOSFET 的雪崩能力。  ‍其实在实际的 MOSFET 中还存在着一个寄生的三极管,就像漏源极之间的续流二极管一样,可以看下面的内部示意图和对应的等效电路图:  我们可以看到,这个寄生的 BJT 是直接并联在 MOSFET 上面的,因此,当 MOSFET 漏极存在一个大电流 Id 和高压 Vd 时,器件内部的电离作用加剧,出现大量的空穴电流,这些电流流过 Rb 电阻进入源极就导致了寄生三极管的基极电势升高,也就是 Vb 会升高,那么寄生三极管就会导通,从而发生雪崩击穿,所以,其内部是由于过压产生了电流流入了寄生三极管,三极管导通了,就等于 MOSFET 也导通了。  预防的措施:雪崩失效归根结底是电压失效,因此预防我们着重从电压来考虑。具体可以参考以下的方式来处理。1:合理降额使用,目前行业内的降额一般选取80%-95%的降额,具体情况根据企业的保修条款及电路关注点进行选取。2:合理的变压器反射电压。3:合理的RCD及TVS吸收电路设计。4:大电流布线尽量采用粗、短的布局结构,尽量减少布线寄生电感。5:选择合理的栅极电阻Rg。6:在大功率电源中,可以根据需要适当的加入RC减震或齐纳二极管进行吸收。  SOA失效机器预防SOA失效是指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在MOSFET上面,造成瞬时局部发热而导致的破坏模式。或者是芯片与散热器及封装不能及时达到热平衡导致热积累,持续的发热使温度超过氧化层限制而导致的热击穿模式。关于SOA各个线的参数限定值可以参考下面图片,每个 MOSFET 的数据手册里面都有。  下面我们分析下图中标注的 5 个区域的含义  这个地方主要限制最大的额定电流和脉冲电流,因为此刻的横轴显示电压很低,那么更多的是大电流导致的 SOA 失效。  在 2 的区域内属于电流电压都安全的区域,但是也要看器件的结温(取决于 Rdson 大小),如果结温超过了 150 度,也会导致 SOA 失效。  在 3 号区域内,我们可以看到根据不同的时间被扩展了三次,分别对应着 10ms,1ms 和 100us,这里主要看器件的耗散功率,本质上是能够承受住 10ms 的最大电流值。  在 4 号区域,这是一个电流值封顶的区域,这里指的就是脉冲电流的最大值的限制,超过了就会导致 SOA 失效。  在 5 号区域,这是一个电压的封顶区域,这里主要限制 Vds 上的电压。  我们电路中的MOSFET,只要保证能器件处于上面限制区的范围内(2 和 3),就能有效的规避由于MOSFET而导致的电源失效问题的产生。预防措施:  确保在最差条件下,MOSFET的所有功率限制条件均在SOA限制线以内。  将OCP功能一定要做精确细致。在进行OCP点设计时,一般可能会取1.1-1.5倍电流余量,然后就根据IC的保护电压比如0.7V开始调试RSENSE电阻。另外有些MOSDriver 还集成了过流保护功能,也可以尝试,就是贵。  合理的热设计冗余也是非常必要的,对于额定电流和最大电流工作时间的可靠性测试必不可少,记得叠加上工作环境温度。
2024-04-23 11:51 阅读量:622
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