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信息來源:本站 日期:2017-09-01
MOS管定義
MOS管學(xué)名是場效應(yīng)管,是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管,屬于絕緣柵型。
其結(jié)構(gòu)示意圖:
上面圖中,下邊的p型中間一個窄長條就是溝道,使得左右兩塊P型極連在一起,因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性,因此它的一個重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻,選用mos管必須清楚這個參數(shù)是否符合需求。
上圖表示的是p型mos管,讀者可以依據(jù)此圖理解n型的,都是反過來即可。因此,不難理解,n型的如圖在柵極加正壓會導(dǎo)致導(dǎo)通,而p型的相反。
相對于耗盡型,增強型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來導(dǎo)通,如圖。柵極電壓越低,則p型源、漏極的正離子就越靠近中間,n襯底的負離子就越遠離柵極,柵極電壓達到一個值,叫閥值或坎壓時,由p型游離出來的正離子連在一起,形成通道,就是圖示效果。因此,容易理解,柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通,電壓越低,通道越厚,導(dǎo)通電阻越小。由于電場的強度與距離平方成正比,因此,電場強到一定程度之后,電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了,也是因為n型負離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導(dǎo)通層,用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn),在市面基本見不到。所以,大家平時說mos管,就默認是增強型的。
圖示左右是對稱的,難免會有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢?其實原理上,源極和漏極確實是對稱的,是不區(qū)分的。但在實際應(yīng)用中,廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極管,起保護作用,正是這個二極管決定了源極和漏極,這樣,封裝也就固定了,便于實用。我的老師年輕時用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿,平時要放在鐵質(zhì)罐子里,它的源極和漏極就是隨便接。
圖中有指示,這個膜是絕緣的,用來電氣隔離,使得柵極只能形成電場,不能通過直流電,因此是用電壓控制的。在直流電氣上,柵極和源漏極是斷路。不難理解,這個膜越?。弘妶鲎饔迷胶谩⒖矇涸叫?、相同柵極電壓時導(dǎo)通能力越強。壞處是:越容易擊穿、工藝制作難度越大而價格越貴。例如導(dǎo)通電阻在歐姆級的,1角人民幣左右買一個,而2402等在十毫歐級的,要2元多(批量買。零售是4元左右)。
上圖僅僅是原理性的,實際的元件增加了源-漏之間跨接的保護二極管,從而區(qū)分了源極和漏極。實際的元件,p型的,襯底是接正電源的,使得柵極預(yù)先成為相對負電壓,因此p型的管子,柵極不用加負電壓了,接地就能保證導(dǎo)通。相當于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道,嚴格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的,應(yīng)用時拋開了負電壓。
上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個電容,越是高品質(zhì)的mos,膜越薄,寄生電容越大,經(jīng)常mos管的寄生電容達到nF級。這個參數(shù)是mos管選擇時至關(guān)重要的參數(shù)之一,必須考慮清楚。Mos管用于控制大電流通斷,經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率,在這種用途中,柵極信號具有交流特征,頻率越高,交流成分越大,寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流,形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視,甚至成為主要問題。為了追求高速,需要強大的柵極驅(qū)動,也是這個道理。試想,弱驅(qū)動信號瞬間變?yōu)楦唠娖?,但是為了“灌滿”寄生電容需要時間,就會產(chǎn)生上升沿變緩,對開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。
Mos管也能工作在放大區(qū),而且很常見。做鏡像電流源、運放、反饋控制等,都是利用mos管工作在放大區(qū),由于mos管的特性,當溝道處于似通非通時,柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力,呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。由于柵極與源漏隔離,因此其輸入阻抗可視為無窮大,當然,隨頻率增加阻抗就越來越小,一定頻率時,就變得不可忽視。這個高阻抗特點被廣泛用于運放,運放分析的虛連、虛斷兩個重要原則就是基于這個特點。這是三極管不可比擬的。
Mos管發(fā)熱,主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時,顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗,形成電流。有電流就有發(fā)熱,并非電場型的就沒有電流。另一個原因是當柵極電壓爬升緩慢時,導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點,這時,導(dǎo)通電阻很大,發(fā)熱比較厲害。第三個原因是導(dǎo)通后,溝道有電阻,過主電流,形成發(fā)熱。主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點。許多mos管具有結(jié)溫過高保護,所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度,一般是150攝氏度。超過此溫度,mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護狀態(tài)的后果。
選擇好MOS管器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應(yīng)用中,當一個MOS管接地,而負載連接到干線電壓上時,該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOS管,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOS管連接到總線及負載接地時,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
該額定電流應(yīng)是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,確保所選的MOS管能承受這個額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOS管處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。
須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,因為這個結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會失效。
影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多,但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗,因為在每次開關(guān)時都要對它們充電。MOS管的開關(guān)速度因此被降低,器件效率也下降。為計算開關(guān)過程中器件的總損耗,要計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。
了解了MOS管的選取法則,那么工程師們選擇的時候就可以通過這些法則去選取所要的MOS管了,從而讓整個電路工作能順利進行下去。不會因為MOS管的不合適而影響后面的各項工作和事宜。
失效6因果
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行續(xù)流的拓撲結(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:
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。
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(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,我們可以進行對比從而確定是否是雪崩失效。
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?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進行吸收。
再簡單說下第二點,SOA失效
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(dǎo)致的破壞模式?;蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時達到熱平衡導(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。
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。
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致。
在進行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(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(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,嚴格執(zhí)行就可以了,不行就加散熱器。
在不同的拓撲、電路中,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。
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。
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。當諧振條件(ωL=1/ωC)成立時,在柵極-源極間外加遠遠大于驅(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。
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。
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。
MOS電路輸入端的保護二極管,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)串接輸入保護電阻。而129#在初期設(shè)計時沒有加入保護電阻,所以這也是MOS管可能擊穿的原因,而通過更換一個內(nèi)部有保護電阻的MOS管應(yīng)可防止此種失效的發(fā)生。還有由于保護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行焊接,并先焊其接地管腳。6)柵極電壓失效
1:在生產(chǎn)、運輸、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后進入柵極等現(xiàn)象就不做過多解釋。
柵源間的過電壓保護: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。如果電路中有電感性負載,則當器件關(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抑制電路等保護措施。
1)靜電損壞,初期可能還象好管子一樣開關(guān),經(jīng)過一段時間后會失效炸機,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全短.
5)使用負壓關(guān)閉,柵加負壓后,MOSFET抗噪能力加強,但DS耐壓能力下降,不適當?shù)呢搲?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)負壓損壞,和不適當?shù)呢搲候?qū)動一樣,只是該負壓不是人為加上的,是由于線路寄生LC感應(yīng),在刪上感應(yīng)生成負脈沖.
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