AMEYA360：MOS管失效的六大原因

功率器件在近幾年的市場方面發(fā)展的非?；鸨?，尤其是 MOS 管，他主要應(yīng)用在電源適配器，電池管理系統(tǒng)以及逆變器和電機(jī)控制系統(tǒng)中。

　　而隨著計(jì)算器主板，AI 顯卡，服務(wù)器等行業(yè)的爆發(fā)，低壓功率 MOS 管將再次迎來爆發(fā)性的市場需求。

　　在開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域，由于電源的 Controller 做的已經(jīng)非常完善，且大部分 Controller 為純硬件控制，廠家一般也會對布局布線和 MOS 的驅(qū)動做專門的優(yōu)化，因此在開關(guān)電源應(yīng)用中的 MOS 燒壞的情況比較少，大部分表現(xiàn)為過熱。

　　而在電池管理系統(tǒng)，和電機(jī)控制系統(tǒng)以及逆變器系統(tǒng)中，MOS 管的燒壞概率就變得非常大，其原因在于，電池管理系統(tǒng)的保護(hù)瞬間電流突變，電機(jī)和逆變器系統(tǒng)中的 MOS 帶載都是非常大的感性負(fù)載，尤其是電機(jī)控制還面臨著制動帶來的反向電動勢，都對 MOS 管的工作電壓和電流提出了更大的挑戰(zhàn)。

　　今天我們趁熱打鐵，分析一下 MOS 管最常見的 6 個失效模式。

　　失效模式 雪崩失效雪崩失效指的就是過壓擊穿，也就是我們常常說的漏極和源極之間的電壓超過了 MOSFET 的額定電壓，并且達(dá)到了 MOSFET 耐受的極限，從而導(dǎo)致 MOSFET 失效。

　　SOA 失效SOA 失效指的是過流損壞，也就是說，電流超過了 MOSFET 的安全工作區(qū)引起的失效，一般是由于 Id 超過了器件規(guī)格測定的最大值，使得 MOSFET 的熱損耗過大，長期熱量累積而導(dǎo)致的失效。

　　靜電失效靜電失效比較好理解，幾乎任何電子元器件都面臨靜電問題，尤其是在北方干燥的冬天。要知道，MOS 管的一般靜電耐受是 500V，非常的脆弱，所以冬天我們在操作 MOS 管的時候還是盡量使用防靜電手環(huán)和鑷子。

　　柵極擊穿柵極擊穿指的是柵極遭受異常電壓導(dǎo)致柵極柵氧化層失效，一般我們驅(qū)動 MOS 管的 Vgs 設(shè)定在 12V，器件手冊中雖然標(biāo)注了 Vth 一般在 2-5V，但是對于不同的 Vgs 會對應(yīng)不同的 Rdson，因此我們通常選用 12V 或者 15V 來保證 MOSFET 的完全開啟。而這個電壓并不能像 MOS 的 Vds 一樣具備很高的耐電壓能力，Vgs 一般會被限制在 20V 以內(nèi)，超過 20V 將有可能擊穿柵極。

　　柵極擊穿后，一般使用萬用表可以測量出來，GS 之間短路，而 DS 之間正常成高阻態(tài)。

　　諧振失效無論是電池管理系統(tǒng)，還是逆變器和電機(jī)控制領(lǐng)域，我們通常會使用 MOS 的多并聯(lián)設(shè)計(jì)，由于 MOSFET 本身參數(shù)的不一致性會導(dǎo)致每個 MOSFET 的柵極及電路寄生參數(shù)不同，在一同開關(guān)的時候，由于開通的先后順序問題引起開關(guān)震蕩，進(jìn)一步損壞MOSFET，因此在并聯(lián)使用的時候一定要注意布局布線，以及 MOS 的Vth 選擇和供應(yīng)鏈管理，這一點(diǎn)我將專門另一起篇文章討論。

　　體二極管失效在電機(jī)控制，橋式整流和 LLC 等控制系統(tǒng)中，我們需要利用 MOSFET 的體二極管進(jìn)行續(xù)流，一般情況下體二極管的反向恢復(fù)時間會比較慢，因此容易出現(xiàn)過功率而導(dǎo)致體二極管失效。因此一般控制頻率比較高的系統(tǒng)中，我們需要在 MOSFET 外面并聯(lián)一個快恢復(fù)二極管或者肖特基。下面，我們就過壓擊穿和過流燒毀再詳細(xì)分析一下它的失效過程和預(yù)防措施

　　雪崩失效及其預(yù)防

　　簡單來說，MOSFET 在電源板上由于母線電壓，變壓器反射電壓，電機(jī)的反向電動勢，漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)中的高壓交疊之后，都將疊加在 MOSFET 的漏源極之間。MOSFET 的手冊中一般會包含單面沖雪崩能量 Eas、重復(fù)脈沖雪崩能量 Ear 和單次脈沖雪崩電流 Ias 等參數(shù)，這些參數(shù)反映了該功率 MOSFET 的雪崩能力。

　　?其實(shí)在實(shí)際的 MOSFET 中還存在著一個寄生的三極管，就像漏源極之間的續(xù)流二極管一樣，可以看下面的內(nèi)部示意圖和對應(yīng)的等效電路圖：

　　我們可以看到，這個寄生的 BJT 是直接并聯(lián)在 MOSFET 上面的，因此，當(dāng) MOSFET 漏極存在一個大電流 Id 和高壓 Vd 時，器件內(nèi)部的電離作用加劇，出現(xiàn)大量的空穴電流，這些電流流過 Rb 電阻進(jìn)入源極就導(dǎo)致了寄生三極管的基極電勢升高，也就是 Vb 會升高，那么寄生三極管就會導(dǎo)通，從而發(fā)生雪崩擊穿，所以，其內(nèi)部是由于過壓產(chǎn)生了電流流入了寄生三極管，三極管導(dǎo)通了，就等于 MOSFET 也導(dǎo)通了。

　　預(yù)防的措施：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(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。

　　SOA失效機(jī)器預(yù)防SOA失效是指電源在運(yùn)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?；蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時達(dá)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。關(guān)于SOA各個線的參數(shù)限定值可以參考下面圖片，每個 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊里面都有。

　　下面我們分析下圖中標(biāo)注的 5 個區(qū)域的含義

　　這個地方主要限制最大的額定電流和脈沖電流，因?yàn)榇丝痰臋M軸顯示電壓很低，那么更多的是大電流導(dǎo)致的 SOA 失效。

　　在 2 的區(qū)域內(nèi)屬于電流電壓都安全的區(qū)域，但是也要看器件的結(jié)溫(取決于 Rdson 大小)，如果結(jié)溫超過了 150 度，也會導(dǎo)致 SOA 失效。

　　在 3 號區(qū)域內(nèi)，我們可以看到根據(jù)不同的時間被擴(kuò)展了三次，分別對應(yīng)著 10ms，1ms 和 100us，這里主要看器件的耗散功率，本質(zhì)上是能夠承受住 10ms 的最大電流值。

　　在 4 號區(qū)域，這是一個電流值封頂?shù)膮^(qū)域，這里指的就是脈沖電流的最大值的限制，超過了就會導(dǎo)致 SOA 失效。

　　在 5 號區(qū)域，這是一個電壓的封頂區(qū)域，這里主要限制 Vds 上的電壓。

　　我們電路中的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)(2 和 3)，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。預(yù)防措施：

　　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)。

　　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，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。另外有些MOSDriver 還集成了過流保護(hù)功能，也可以嘗試，就是貴。

　　合理的熱設(shè)計(jì)冗余也是非常必要的，對于額定電流和最大電流工作時間的可靠性測試必不可少，記得疊加上工作環(huán)境溫度。