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  • 功率MOS管失效損壞原因分析方法
    • 發(fā)布時間:2019-09-03 12:20:37
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    功率MOS管 失效分析
    經(jīng)常使用MOS管的人都會知道,MOS管其實就是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。
    MOS管的source和drain是可以對調的,它們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
    目前在市場應用方面,排名第一的是消費類電子電源適配器產(chǎn)品。而根據(jù)MOS管廠家對MOS管的應用領域了解,知道MOS管排名第二的是計算機主板、NB、計算機類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品。在隨著的發(fā)展,計算機主板、計算機類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費類電子電源適配器的現(xiàn)象了。
    而目前排名第三的就屬網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設備領域了,這些產(chǎn)品對于MOS管的需求也是很大的,特別是現(xiàn)在汽車電子對于MOS管的需求直追消費類電子了。
    從以上的分析來看,能知道MOS管的需要在國內的需求是不斷增大了,但使用MOS管的企業(yè)們真的知道MOS管失效的原因嗎?
    分析MOS失效的六大原因
    一、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,并且超過達到了一定的能力從而導致MOSFET失效。(重點分析)
    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)定電壓值并達到一定的能量限度而導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,做為電源工程師可以簡單了解下。
    功率MOS管失效分析
    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進行失效分析,大多數(shù)廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結論,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,我們可以進行對比從而確定是否是雪崩失效。
    雪崩失效的預防措施
    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(yè)內的降額一般選取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(jù)需要適當?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進行吸收。
    功率MOS管失效分析
    二、SOA失效(電流失效)
    既超出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致的失效。(重點分析)
    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(fā)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(xù)的發(fā)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(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)
    SOA失效的預防措施
    (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。
    (2)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倍電流余量的工程師居多,然后就根據(jù)IC的保護電壓比如0.7V開始調試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。但是此時有個更值得關注的參數(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(圖形不是太清楚,十分抱歉,建議雙擊放大觀看)。
    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,這段時間其本質就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關斷后,MOSFET本身也開始執(zhí)行關斷,但是由于器件本身的關斷延遲,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。
    功率MOS管失效分析
    (3)合理的熱設計余量,這個就不多說了,各個企業(yè)都有自己的降額規(guī)范,嚴格執(zhí)行就可以了,不行就加散熱器。
    三、體二極管失效
    在橋式、LLC等有用到體二極管進行續(xù)流的拓撲結構中,由于體二極管遭受破壞而導致的失效。
    四、諧振失效
    在并聯(lián)使用的過程中,柵極及電路寄生參數(shù)導致震蕩引起的失效。
    五、靜電失效
    在秋冬季節(jié),由于人體及設備靜電而導致的器件失效。
    六、柵極電壓失效
    由于柵極遭受異常電壓尖峰,而導致柵極柵氧層失效。
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