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MOS管失效的6大原因 全面深度的分析及失效應(yīng)對措施-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-11-27 

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MOS管失效的六大原因

MOS管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的,他們都是在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(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。


目前在市場應(yīng)用方面,排名第一的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。而MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域排名第二的是計算機(jī)主板、NB、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品,隨著國情的發(fā)展計算機(jī)主板、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費(fèi)類電子電源適配器的現(xiàn)象了。


第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)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(fèi)類電子了。

MOS管失效原因


對MOS失效的原因分析,對1,2重點(diǎn)進(jìn)行分析

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),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(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。


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,做為電源工程師可以簡單了解下。

MOS管失效原因

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(diǎn)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。

MOS管失效原因


SOA失效(電流失效)

再簡單說下第二點(diǎn),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?;蛘呤切酒c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。

MOS管失效原因 width=

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。這個是一個非典型的SOA導(dǎo)致失效的一個解刨圖,由于去過鋁,可能看起來不那么直接,參考下。


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(diǎn)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,如下面FLYBACK電流波形圖

MOS管失效原因

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(diǎn)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。


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