功率MOS管 失效分析

經(jīng)常使用MOS管的人都會(huì)知道，MOS管其實(shí)就是金屬（metal）—氧化物（oxide）—半導(dǎo)體（semiconductor）場(chǎng)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(duì)調(diào)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

目前在市場(chǎng)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。而根據(jù)MOS管廠家對(duì)MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域了解，知道MOS管排名第二的是計(jì)算機(jī)主板、NB、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品。在隨著的發(fā)展，計(jì)算機(jī)主板、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器對(duì)MOS管的需求有要超過(guò)消費(fèi)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(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(duì)于MOS管的需求也是很大的，特別是現(xiàn)在汽車電子對(duì)于MOS管的需求直追消費(fèi)類電子了。

從以上的分析來(lái)看，能知道MOS管的需要在國(guó)內(nèi)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(shuō)的漏源間的BVdss電壓超過(guò)MOSFET的額定電壓，并且超過(guò)達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。（重點(diǎn)分析）

到底什么是雪崩失效呢，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(jiǎn)而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過(guò)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(jiàn)的失效模式。

下面的圖片為雪崩測(cè)試的等效原理圖，做為電源工程師可以簡(jiǎn)單了解下。

可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對(duì)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(gè)EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們?cè)趺磪^(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過(guò)雪崩測(cè)試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對(duì)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(lái)考慮。具體可以參考以下的方式來(lái)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(jì)。

（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。

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(guò)大，損耗過(guò)高器件長(zhǎng)時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。（重點(diǎn)分析）

SOA失效是指電源在運(yùn)行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在MOSFET上面，造成瞬時(shí)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(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過(guò)氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

關(guān)于SOA各個(gè)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(gè)脈沖電流。

（5）擊穿電壓BVDSS限制區(qū)

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(jì)時(shí)，一般可能會(huì)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(kāi)始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)將檢測(cè)延遲時(shí)間、CISS對(duì)OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時(shí)有個(gè)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(shí)，有個(gè)下跌，這個(gè)下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間，這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開(kāi)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(huì)有個(gè)二次上升平臺(tái)，如果二次上升平臺(tái)過(guò)大，那么在變壓器余量設(shè)計(jì)不足時(shí)，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個(gè)電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個(gè)失效。

（3）合理的熱設(shè)計(jì)余量，這個(gè)就不多說(shuō)了，各個(gè)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。

三、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。

四、諧振失效

在并聯(lián)使用的過(guò)程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)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(shè)備靜電而導(dǎo)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(dǎo)致柵極柵氧層失效。

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