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  • MOS管失效的六個原因詳解
    • 發(fā)布時間:2024-07-11 14:55:30
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    MOS管失效的六個原因詳解
    MOS管學名是場效應管,是金屬-氧化物-半導體型場效應管,屬于絕緣柵型。
    其結構示意圖:
    MOS管失效原因
    MOS管失效的6個原因:
    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)流的拓撲結構中,由于體二極管遭受破壞而導致的失效。
    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),由于人體及設備靜電而導致的器件失效。
    6)柵極電壓失效:由于柵極遭受異常電壓尖峰,而導致柵極柵氧層失效。
    具體分析如下:
    1)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。
    雪崩失效的預防措施
    雪崩失效歸根結底是電壓失效,因此預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吸收電路設計。
    4:大電流布線盡量采用粗、短的布局結構,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。
    2)SOA失效(電流失效)
    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致熱積累,持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導致的熱擊穿模式。
    關于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
    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,就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導致的電源失效問題的產生。
    這個是一個非典型的SOA導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。
    MOS管失效原因
    SOA失效的預防措施
    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。
    2:將OCP功能一定要做精確細致。
    在進行OCP點設計時,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。
    但是此時有個更值得關注的參數(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
    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,這個下跌點后又有一段的上升時間,這段時間其本質就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關斷后,MOSFET本身也開始執(zhí)行關斷,但是由于器件本身的關斷延遲,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計不足時,就極有可能產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。
    3)體二極管失效
    在不同的拓撲、電路中,MOSFET有不同的角色,比如在LLC中,體內二極管的速度也是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,但是預防電壓及二極管失效的解決辦法存在較大差異,主要結合自己電路來分析。
    體二極管失效預防措施
    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本質上是對稱的結構,只是溝道的兩個接點。但是由于溝道的開啟和關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。
    4)諧振失效
    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動電壓Vgs(in)的振動電壓,由于超出柵極-源極間額定電壓導致柵極破壞,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波形重疊導致正向反饋,因此可能會由于誤動作引起振蕩破壞。
    諧振失效預防措施
    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. 主要還是驅動電路阻抗匹配的原因, 和調節(jié)功率管開關時間的原因。
    5)靜電失效
    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生過熱,使元件受傷,雖然仍能工作,但是壽命受損。
    靜電失效的預防措施
    MOS電路輸入端的保護二極管,其導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,應串接輸入保護電阻。而129#在初期設計時沒有加入保護電阻,所以這也是MOS管可能擊穿的原因,而通過更換一個內部有保護電阻的MOS管應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
    柵極的異常高壓來源主要有以下3種原因:
    1:在生產、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,這種原因導致的失效較為常見)。
    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。
    柵極電壓失效的預防措施
    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)電壓還會導致器件的誤導通。為此要適當降低柵極驅動電路的阻抗,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,則當器件關斷時,漏極電流的突變(di/dt)會產生比電源電壓高的多的漏極電壓過沖,導致器件損壞。應采取穩(wěn)壓管箝位,RC箝位或RC抑制電路等保護措施。
    補充下,MOSFET損壞主要有使用/品質工藝兩方面原因
    使用方面:
    1)靜電損壞,初期可能還象好管子一樣開關,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!
    3)漏電損傷,多數(shù)情況下GDS全短路,個別會DS或GD斷路.
    4)過驅動,驅動電壓超過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?會導致DS耐壓不夠而被擊穿損壞而GDS短路.
    6)柵寄生感應負壓損壞,和不適當?shù)呢搲候寗右粯?只是該負壓不是人為加上的,是由于線路寄生LC感應,在刪上感應生成負脈沖.
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