Mos管(場效應(yīng)管)失效分析知識點詳解

MOS管做為電壓驅(qū)動大電流型器件，在電路尤其是動力系統(tǒng)中大量應(yīng)用，MOS管有一些特性在實際應(yīng)用中是我們應(yīng)該特別注意的。

MOS管體二極管，又稱寄生二極管，在單個MOS管器件中有，在集成電路光刻中沒有，這個二極管在大電流驅(qū)動中和感性負(fù)載時可以起到反向保護(hù)和續(xù)流的作用，一般正向?qū)▔航翟?.7~1V左右，因為這個二極管的存在，MOS器件在電路中不能簡單地看到一個開關(guān)的作用，比如充電電路中，充電完成，移除電源后，電池會反向向外部供電，這個通常是我們不愿意看到的結(jié)果，一般解決的方法是在后面增加一個二極管來防止反向供電，這樣雖然可以做到，但是二極管的特性決定必須有0.6~1V的正向壓降，在大電流的情況下發(fā)熱嚴(yán)重，同時造成能源的浪費，使整機(jī)能效低下。還有一個方法是再增加一個背靠背的MOS管，利用MOS管低導(dǎo)通電阻來達(dá)到節(jié)能的目的，這一特性另一個常見的應(yīng)用為低壓同步整流。

MOS失效原因：

1、雪崩失效(電壓失效)，也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。

2、SOA失效(電流失效)，即超出MOSFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長時間熱積累而導(dǎo)致的失效。

3、體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

4、諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

5、靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

6、柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。

具體分析如下：

1）雪崩失效分析(電壓失效)

到底什么是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。

下面的圖片為雪崩測試的等效原理圖，作為電源工程師可以簡單了解下。

可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對我們電源板上的MOSFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們怎么區(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。

雪崩失效的預(yù)防措施

雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)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(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點進(jìn)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(shè)計。

4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，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(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

2）SOA失效(電流失效)

再簡單說下第二點，SOA失效

SOA失效是指電源在運(yùn)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(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

關(guān)于SOA各個線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片

1：受限于最大額定電流及脈沖電流

2：受限于最大節(jié)溫下的RDSON。

3：受限于器件最大的耗散功率。

4：受限于最大單個脈沖電流。

5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)

我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。

SOA失效的預(yù)防措施

1：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(nèi)。

2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。

在進(jìn)行OCP點設(shè)計時，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。

有些有經(jīng)驗的人會將檢測延遲時間、CISS對OCP實際的影響考慮在內(nèi)。

但是此時有個更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td(off)。

它到底有什么影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖。

從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時，有個下跌，這個下跌點后又有一段的上升時間，這段時間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會有個二次上升平臺，如果二次上升平臺過大，那么在變壓器余量設(shè)計不足時，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個失效。

3：合理的熱設(shè)計余量，這個就不多說了，各個企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。

3）體二極管失效

在不同的拓?fù)洹㈦娐分?，MOSFET有不同的角色，比如在LLC中，體內(nèi)二極管的速度也是MOSFET可靠性的重要因素。漏源間的體二極管失效和漏源電壓失效很難區(qū)分，因為二極管本身屬于寄生參數(shù)。雖然失效后難以區(qū)分軀體緣由，但是預(yù)防電壓及二極管失效的解決辦法存在較大差異，主要結(jié)合自己電路來分析。

體二極管失效預(yù)防措施

其實有那個體二極管，在大部分時候都不礙事，而且有時候還有好處，比如用在H橋上，省得并二極管了。當(dāng)然也有礙事的時候，那就用兩個MOS管頭頂頭或者尾對尾串聯(lián)起來就可以了。

那個二極管是工藝決定的，也不必太在意，接受它的存在就好了。還有，多說兩句，其實MOS管的D和S本質(zhì)上是對稱的結(jié)構(gòu)，只是溝道的兩個接點。但是由于溝道的開啟和關(guān)閉涉及到柵極和襯底之間的電場，那么就需要給襯底一個確定的電位。又因為MOS管只有3個管腳，所以需要把襯底接到另外兩個管腳之一。那么接了襯底的管腳就是S了，沒接襯底的管腳就是D，我們應(yīng)用時，S的電位往往是穩(wěn)定的。在集成電路中，比如CMOS中或者還有模擬開關(guān)中，由于芯片本身有電源管腳，所以那些MOS管的襯底并不和管腳接在一起，而是直接接到電源的VCC或者VEE，這時候D和S就沒有任何區(qū)別了。

4）諧振失效

在并聯(lián)功率MOS FET時未插入柵極電阻而直接連接時發(fā)生的柵極寄生振蕩。高速反復(fù)接通、斷開漏極-源極電壓時，在由柵極-漏極電容Cgd(Crss)和柵極引腳電感Lg形成的諧振電路上發(fā)生此寄生振蕩。當(dāng)諧振條件(ωL=1/ωC)成立時，在柵極-源極間外加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動電壓Vgs(in)的振動電壓，由于超出柵極-源極間額定電壓導(dǎo)致柵極破壞，或者接通、斷開漏極-源極間電壓時的振動電壓通過柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形重疊導(dǎo)致正向反饋，因此可能會由于誤動作引起振蕩破壞。

諧振失效預(yù)防措施

電阻可以抑制振蕩, 是因為阻尼的作用。但柵極串接一個小電阻, 并非解決振蕩阻尼問題. 主要還是驅(qū)動電路阻抗匹配的原因, 和調(diào)節(jié)功率管開關(guān)時間的原因。

5）靜電失效

靜電的基本物理特征為：有吸引或排斥的力量；有電場存在，與大地有電位差；會產(chǎn)生放電電流。這三種情形會對電子元件造成以下影響：

1.元件吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響元件的功能和壽命。

2.因電場或電流破壞元件絕緣層和導(dǎo)體，使元件不能工作（完全破壞）。

3.因瞬間的電場軟擊穿或電流產(chǎn)生過熱，使元件受傷，雖然仍能工作，但是壽命受損。

靜電失效的預(yù)防措施

MOS電路輸入端的保護(hù)二極管，其導(dǎo)通時電流容限一般為1mA 在可能出現(xiàn)過大瞬態(tài)輸入電流（超過10mA）時，應(yīng)串接輸入保護(hù)電阻。而在初期設(shè)計時沒有加入保護(hù)電阻，所以這也是MOS管可能擊穿的原因，而通過更換一個內(nèi)部有保護(hù)電阻的MOS管應(yīng)可防止此種失效的發(fā)生。還有由于保護(hù)電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間信號和過高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用。所以焊接時電烙鐵必須可靠接地，以防漏電擊穿器件輸入端，一般使用時，可斷電后利用電烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，并先焊其接地管腳。

6）柵極電壓失效

柵極的異常高壓來源主要有以下3種原因：

1：在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過程中的靜電。

2：由器件及電路寄生參數(shù)在電源系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的高壓諧振。

3：在高壓沖擊時，高電壓通過Ggd傳輸?shù)綎艠O（在雷擊測試時，這種原因?qū)е碌氖л^為常見）。

至于PCB污染等級、電氣間隙及其它高壓擊穿IC后進(jìn)入柵極等現(xiàn)象就不做過多解釋。

柵極電壓失效的預(yù)防措施

柵源間的過電壓保護(hù)：如果柵源間的阻抗過高，則漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過沖，這一電壓會引起柵極氧化層永久性損壞，如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或并接穩(wěn)壓值約20V的穩(wěn)壓管。特別要注意防止柵極開路工作。其次是漏極間的過電壓防護(hù)。如果電路中有電感性負(fù)載，則當(dāng)器件關(guān)斷時，漏極電流的突變(di/dt)會產(chǎn)生比電源電壓高的多的漏極電壓過沖，導(dǎo)致器件損壞。應(yīng)采取穩(wěn)壓管箝位，RC箝位或RC抑制電路等保護(hù)措施。

補(bǔ)充下,MOSFET損壞主要有使用/品質(zhì)工藝兩方面原因. 使用方面:

1)靜電損壞,初期可能還像好管子一樣開關(guān),經(jīng)過一段時間后會失效炸機(jī),GDS全短路.

2)空間等離子損傷,輕者和靜電損壞一樣,重者直接GDS短路.大家要注意啊!放MOSFET或IGBT/COMS器件的地方千萬別用負(fù)離子發(fā)生器或有此功能的空調(diào)!

3)漏電損傷,多數(shù)情況下GDS全短路,個別會DS或GD斷路.

4)過驅(qū)動,驅(qū)動電壓超過18V后,經(jīng)過一段時間使用會GDS全斷.

5)使用負(fù)壓關(guān)閉,柵加負(fù)壓后,MOSFET抗噪能力加強(qiáng),但DS耐壓能力下降,不適當(dāng)?shù)呢?fù)壓,會導(dǎo)致DS耐壓不夠而被擊穿損壞而GDS短路.

6)柵寄生感應(yīng)負(fù)壓損壞,和不適當(dāng)?shù)呢?fù)壓驅(qū)動一樣,只是該負(fù)壓不是人為加上的,是由于線路寄生LC感應(yīng),在刪上感應(yīng)生成負(fù)脈沖。

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