MOS管損壞之謎,看完后疑惑終于解開了!

2022-06-21 11:48
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MOS開關(guān)原理(簡要):

MOS是電壓驅(qū)動型器件,只要柵極和源級間給一個(gè)適當(dāng)電壓,源級和漏級間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被成為MOS內(nèi)阻,就是導(dǎo)通電阻。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了MOS芯片能承受的最大導(dǎo)通電流(當(dāng)然和其它因素有關(guān),最有關(guān)的是熱阻),內(nèi)阻越小承受電流越大(因?yàn)榘l(fā)熱?。?/span>


MOS管在控制器電路中的工作狀態(tài):

開通過程(由截止到導(dǎo)通的過渡過程)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程(由導(dǎo)通到截止的過渡過程)、截止?fàn)顟B(tài)。


MOS管燒壞的原因主要損耗也對應(yīng)這幾個(gè)狀態(tài),開關(guān)損耗(開通過程和關(guān)斷過程),導(dǎo)通損耗,截止損耗(漏電流引起的,這個(gè)忽略不計(jì)),還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在MOS承受規(guī)格之內(nèi),MOS即會正常工作,超出承受范圍,即發(fā)生損壞。而開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗,不同MOS這個(gè)差距可能很大。

MOS損壞主要原因:

過流:持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過高而燒毀;

過壓:源漏過壓擊穿、源柵極過壓擊穿;

靜電:靜電擊穿,CMOS電路都怕靜電。



第一種: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)載的開關(guān)運(yùn)行斷開時(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)致破壞的模式會引起雪崩破壞。

典型電路:
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第二種: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

  • 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)
  • 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
  • 負(fù)載短路
  • 開關(guān)損耗(接通、斷開) *(與溫度和工作頻率是相關(guān)的)
  • 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。

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第三種: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。

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第四種: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(shí)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。

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第五種: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(包括安裝和和測定設(shè)備的帶電)而導(dǎo)致的柵極破壞。

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總結(jié)



避免MOS因?yàn)槠骷l(fā)熱而造成的損壞,需要做好足夠的散熱設(shè)計(jì)。若通過增加散熱器和電路板的長度來供所有MOS管散熱,這樣就會增加機(jī)箱的體積,同時(shí)這種散熱結(jié)構(gòu),風(fēng)量發(fā)散,散熱效果不好。

有些大功率逆變器MOS管會安裝通風(fēng)紙來散熱,但安裝很麻煩。所以MOS管對散熱的要求很高,散熱條件分為最低和最高,即在運(yùn)行中的散熱情況的上下浮動范圍。一般在選購的時(shí)候通常采用最差的散熱條件為標(biāo)準(zhǔn),這樣在使用的時(shí)候就可以留出最大的安全余量,即使在高溫中也能確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。


北京思眾電子科技有限公司全面負(fù)責(zé)集團(tuán)集成電路事業(yè)部中國大陸的技術(shù)支持與銷售服務(wù)工作,2017年和2020年被評定為國家高 新技術(shù)企業(yè)。自主品牌AT“艾吉芯””艾吉克“,現(xiàn)以中低功率MOS管、貼片鋁電解電容等各領(lǐng)域整體解決方案的研發(fā)與銷售服務(wù)為核心業(yè)務(wù)。集團(tuán)在上海建立了半導(dǎo)體分立器件芯片研發(fā)中心,與臺灣無疆科技有限公司建立了MCU芯片研發(fā)銷售戰(zhàn)略合作關(guān)系,在湖南長沙建立了電源模塊研發(fā)團(tuán)隊(duì)、規(guī)劃建立5G模塊、毫米波雷達(dá)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

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