MOS管功率損耗如何測(cè)試-功率MOS管的幾大損壞模式解析

功率MOS管簡(jiǎn)介

功率MOS管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。功率MOSFET是較常使用的一類功率器件。

功率MOS管的幾大損壞模式
（一）雪崩破壞

如果在漏極-源極間外加超出器件額定VDSS的電涌電壓，而且達(dá)到擊穿電壓V(BR)DSS （根據(jù)擊穿電流其值不同），并超出一定的能量后就發(fā)生破壞的現(xiàn)象。

在介質(zhì)負(fù)載的開(kāi)關(guān)運(yùn)行斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的回掃電壓，或者由漏磁電感產(chǎn)生的尖峰電壓超出功率MOSFET的漏極額定耐壓并進(jìn)入擊穿區(qū)而導(dǎo)致破壞的模式會(huì)引起雪崩破壞。

典型電路：

（二）器件發(fā)熱損壞

由超出安全區(qū)域引起發(fā)熱而導(dǎo)致的。發(fā)熱的原因分為直流功率和瞬態(tài)功率兩種。

直流功率原因：外加直流功率而導(dǎo)致的損耗引起的發(fā)熱

1、導(dǎo)通電阻RDS(on)損耗（高溫時(shí)RDS(on)增大，導(dǎo)致一定電流下，功耗增加）

2、由漏電流IDSS引起的損耗（和其他損耗相比極小）。瞬態(tài)功率原因：外加單觸發(fā)脈沖

3、負(fù)載短路

4、開(kāi)關(guān)損耗（接通、斷開(kāi)） *（與溫度和工作頻率是相關(guān)的）

5、內(nèi)置二極管的trr損耗（上下橋臂短路損耗）（與溫度和工作頻率是相關(guān)的）

器件正常運(yùn)行時(shí)不發(fā)生的負(fù)載短路等引起的過(guò)電流，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導(dǎo)致破壞。另外，由于熱量不相配或開(kāi)關(guān)頻率太高使芯片不能正常散熱時(shí)，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超出溝道溫度導(dǎo)致熱擊穿的破壞。

（三）內(nèi)置二極管破壞

在DS端間構(gòu)成的寄生二極管運(yùn)行時(shí)，由于在Flyback時(shí)功率MOSFET的寄生雙極晶體管運(yùn)行，導(dǎo)致此二極管破壞的模式。

（四）由寄生振蕩導(dǎo)致的破壞

此破壞方式在并聯(lián)時(shí)尤其容易發(fā)生

在并聯(lián)功率MOS FET時(shí)未插入柵極電阻而直接連接時(shí)發(fā)生的柵極寄生振蕩。高速反復(fù)接通、斷開(kāi)漏極-源極電壓時(shí)，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(dāng)諧振條件(ωL=1/ωC)成立時(shí)，在柵極-源極間外加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電壓Vgs(in)的振動(dòng)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(kāi)漏極-源極間電壓時(shí)的振動(dòng)電壓通過(guò)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(huì)由于誤動(dòng)作引起振蕩破壞。

（五）柵極電涌、靜電破壞

主要有因在柵極和源極之間如果存在電壓浪涌和靜電而引起的破壞，即柵極過(guò)電壓破壞和由上電狀態(tài)中靜電在GS兩端（包括安裝和和測(cè)定設(shè)備的帶電）而導(dǎo)致的柵極破壞。

MOS管功率損耗怎么測(cè)？

MOSFET/IGBT的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試是電源調(diào)試中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，但很多工程師對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的測(cè)量還停留在人工計(jì)算的感性認(rèn)知上，PFC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗更是只能依據(jù)口口相傳的經(jīng)驗(yàn)反復(fù)摸索，那么該如何量化評(píng)估呢？

功率損耗的原理圖和實(shí)測(cè)圖

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)管工作的功率損耗原理圖如圖 1所示，主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過(guò)程”和“關(guān)閉過(guò)程”，小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”，而關(guān)閉狀態(tài)的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

開(kāi)關(guān)管工作的功率損耗原理圖

實(shí)際的測(cè)量波形圖一般如下圖

開(kāi)關(guān)管實(shí)際功率損耗測(cè)試

MOSFET和PFC MOSFET的測(cè)試區(qū)別

對(duì)于普通MOS管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形幾乎完全相同，因此整體功率損耗只需要任意測(cè)量一個(gè)周期即可。但對(duì)于PFC MOS管來(lái)說(shuō)，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準(zhǔn)確評(píng)估依賴較長(zhǎng)時(shí)間（一般大于10ms），較高采樣率（推薦1G采樣率）的波形捕獲，此時(shí)需要的存儲(chǔ)深度推薦在10M以上，并且要求所有原始數(shù)據(jù)（不能抽樣）都要參與功率損耗計(jì)算，實(shí)測(cè)截圖如下圖所示。

PFC MOSFET功率損耗實(shí)測(cè)圖

開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試對(duì)于器件評(píng)估非常關(guān)鍵，通過(guò)示波器的電源分析軟件，可以快速有效的對(duì)器件的功率損耗進(jìn)行評(píng)估。

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