深入剖析MOS管雪崩、SOA失效及發(fā)熱

本文對MOS失效原因總結(jié)以下六點，然后對1，2重點進行分析：

1、雪崩失效（電壓失效），也就是漏源間的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?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。

MOS管失效分析-雪崩失效、SOA失效

（一）雪崩失效分析（電壓失效）

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，可以簡單了解下。

可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對電源板上的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，進行對比從而確定是否是雪崩失效。

雪崩失效預(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行吸收。

（二）SOA失效（電流失效）

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。或者是芯片與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。

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)。

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）。

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，不行就加散熱器。

MOS管發(fā)熱分析

1.電路設(shè)計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。

沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計電路的最忌諱的錯誤。

2.頻率太高，主要是有時過分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。

3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計，電流太高，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。

4.MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。

如何解決MOS管發(fā)熱問題？

為了解決MOS管發(fā)熱問題，要準(zhǔn)確判斷是否是這些原因造成，最重要的是進行正確的測試，才能發(fā)現(xiàn)問題所在。通過這次解決這個MOS發(fā)熱問題，發(fā)現(xiàn)正確選擇關(guān)鍵點的測試，是否和分析的一致，才是解決問題之關(guān)鍵。

在進行開關(guān)電源測試中，除了用三用表測量控制電路其他器件的引腳電壓，比較重要的是用示波器測量相關(guān)的電壓波形。當(dāng)判斷開關(guān)電源是否工作正常，測試什么地方才能反映出電源的工作狀態(tài)，變壓器原邊和次級以及輸出反饋是否合理，開關(guān)MOS管是否工作正常，PWM控制器輸出端是否正常，包括脈沖的幅度和占空比是否正常，等等。

測試點的合理選擇非常重要，正確選擇既安全可靠測量，又能反映故障的原因所在，迅速查找出原因。

根據(jù)開關(guān)電源所了解的，一般引起MOS管發(fā)熱的原因是：

1、驅(qū)動頻率過高。

2、G極驅(qū)動電壓不夠。

3、通過漏極和源極的Id電流太高。

因此測試重點放在MOS管上，準(zhǔn)確測試它的工作狀況，才是問題的根本。

Q1為功率開關(guān)MOS管，A點為漏極，B點為源極，R為電流取樣電阻，C點為接地端。把雙蹤示波器的兩個探頭分別接到A和B點，兩個探頭接地端同時卡住電阻R的接地端C處。

MOS管漏極測試A點波形

而從B點的波形可以看出，MOS管的源極電壓波形，這個波形是取樣電阻R上的電壓波形，能夠反映出漏極電流極其導(dǎo)通和截止時間等信息，如下圖分析：

可以看出，每個周期中，開關(guān)MOS管導(dǎo)通時，漏極電流從起始到峰值電流的過程。

取樣電阻R的B測試點電壓波形

A和B點，這就是兩個關(guān)鍵的測試點，基本上反映了開關(guān)電源的工作狀態(tài)和故障所在，導(dǎo)通的時候的尖峰電壓和尖峰電流非常大，如果能夠?qū)?dǎo)通的尖峰電壓和尖峰電流消除，那么損耗能降一大半，MOS發(fā)熱的問題就能解決。當(dāng)然也是發(fā)現(xiàn)MOS管工作正常與否的最直接反映。

通過測試結(jié)果分析后，改變柵極驅(qū)動電阻阻值，選擇合適的頻率，給MOS管完全導(dǎo)通創(chuàng)造條件，MOS工作后有效的降低了尖峰電壓，又選擇了內(nèi)阻更小的MOS管，使在開關(guān)過程中管子本身的壓降降低。同時合理選擇的散熱器。

經(jīng)過這樣處理后，重新實驗，讓整個電源正常工作后，加大負(fù)載到滿負(fù)荷工作，MOS管發(fā)熱始終沒有超過50°，應(yīng)該是比較理想。

在用示波器測試過程中，要特別注意這兩個測試點的波形，在逐步升高輸入電壓的時候，如果發(fā)現(xiàn)峰值電壓或者峰值電流超過設(shè)計范圍，并注意MOS管發(fā)熱情況，如果異常，應(yīng)該立刻關(guān)閉電源，查找原因所在，防止MOS管損壞。

編輯：jq