MOS管失效的五大原因及解决措施

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MOS管全称金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管,英文名metal oxide semiconductor,属于场效应管中的绝缘栅型,因此,MOS管有时候又称为绝缘栅场效应管。确切的说,这个名字描述了集成电路中MOS管的结构,即:在一定结构的半导体器件上,加上二氧化硅和金属,形成栅极。

目前在市场应用方面,排名第一的是消费类电子电源适配器产品。排名第二的是计算机主板、NB、计算机类适配器、LCD显示器等产品。第三的就属网络通信、工业控制、汽车电子以及电力设备领域。这些产品对于MOS管的需求都很大。下面是关于MOS管失效的五大原因。

 

  • 雪崩失效(电压失效)

雪崩失效也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压,并且超过达到了一定的能力从而导致MOSFET失效。到底什么是雪崩失效呢,简单来说MOSFET在电源板上由于母线电压、变压器反射电压、漏感尖峰电压等等系统电压叠加在MOSFET漏源之间,导致的一种失效模式。简而言之就是由于就是MOSFET漏源极的电压超过其规定电压值并达到一定的能量限度而导致的一种常见的失效模式。
下面的图片为雪崩测试的等效原理图。

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雪崩失效的预防措施:
雪崩失效归根结底是电压失效,因此预防我们着重从电压来考虑。具体可以参考以下的方式来处理。
1:合理降额使用,目前行业内的降额一般选取80%-95%的降额,具体情况根据企业的保修条款及电路关注点进行选取。
2:合理的变压器反射电压。
3:合理的RCD及TVS吸收电路设计。
4:大电流布线尽量采用粗、短的布局结构,尽量减少布线寄生电感。
5:选择合理的栅极电阻Rg。
6:在大功率电源中,可以根据需要适当的加入RC减震或齐纳二极管进行吸收。

 

二、栅极电压失效

造成栅极电压异常高的主要原因有三:生产、运输、装配过程中的静电;电力系统运行中设备和电路寄生参数引起的高压谐振;在高压冲击过程中,高压通过Ggd传输到电网(在雷击试验中,这种原因引起的故障更常见)。

栅极电压失效的预防措施:

栅极和源极之间的过电压保护:如果栅极和源极之间的阻抗过高,漏极和源极之间电压的突然变化将通过电极间电容耦合到栅极上,导致非常高的UGS电压超调,从而导致栅极超调。氧化物层永久性损坏。如果是正方向上的UGS瞬态电压,设备也可能导通错误。为此,应适当降低栅极驱动电路的阻抗,并在栅极和源极之间并联一个阻尼电阻或一个稳压约20V的调压器。必须特别注意防止开门操作。

 

三、SOA失效(电流失效)

SOA失效是指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在MOSFET上面,造成瞬时局部发热而导致的破坏模式。或者是芯片与散热器及封装不能及时达到热平衡导致热积累,持续的发热使温度超过氧化层限制而导致的热击穿模式。
关于SOA各个线的参数限定值可以参考下面图片。

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1:受限于最大额定电流及脉冲电流
2:受限于最大节温下的RDSON。
3:受限于器件最大的耗散功率。
4:受限于最大单个脉冲电流。
5:击穿电压BVDSS限制区
    我们电源上的MOSFET,只要保证能器件处于上面限制区的范围内,就能有效的规避由于MOSFET而导致的电源失效问题的产生。这个是一个非典型的SOA导致失效的一个解刨图,由于去过铝可能看起来不那么直接,参考下。

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SOA失效的预防措施:
1:确保在最差条件下,MOSFET的所有功率限制条件均在SOA限制线以内。
2:将OCP功能一定要做精确细致。
在进行OCP点设计时,一般可能会取1.1-1.5倍电流余量的工程师居多,然后就根据IC的保护电压比如0.7V开始调试RSENSE电阻。有些有经验的人会将检测延迟时间、CISS对OCP实际的影响考虑在内。但是此时有个更值得关注的参数,那就是MOSFET的Td(off)。它到底有什么影响呢,我们看下面FLYBACK电流波形图。

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从图中可以看出,电流波形在快到电流尖峰时,有个下跌,这个下跌点后又有一段的上升时间,这段时间其本质就是IC在检测到过流信号执行关断后,MOSFET本身也开始执行关断,但是由于器件本身的关断延迟,因此电流会有个二次上升平台,如果二次上升平台过大,那么在变压器余量设计不足时,就极有可能产生磁饱和的一个电流冲击或者电流超器件规格的一个失效。


3:合理的热设计余量,这个就不多说了,各个企业都有自己的降额规范,严格执行就可以了,不行就加散热器。

 

四、静电失效

静电的基本物理特性是:有吸引力或斥力;有电场,与地球有电位差;产生放电电流。这三种情况对电子元件有以下影响:

1、该元件吸收灰尘,改变线路之间的阻抗,影响元件的功能和寿命。

2、由于电场或电流的作用,元件的绝缘层和导体损坏,使元件不能工作(完全损坏)。

3、由于电场的瞬时软击穿或电流过热,元件受到损坏。虽然它还能工作,但它的生命受到了损害。

静电失效预防措施:

MOS电路输入端的保护二极管在通电时的电流容限为1毫安。当可能出现过大的瞬时输入电流(大于10mA)时,输入保护电阻应串联。同时,由于保护电路吸收的瞬时能量有限,过大的瞬时信号和过高的静电电压会使保护电路失效。因此,在焊接过程中,烙铁必须可靠接地,以防止设备输入端子泄漏。一般使用时,断电后,可利用烙铁的余热进行焊接,其接地脚应先焊好。

 

五、体二极管故障

在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中,由于体二极管遭受破坏而导致的失效。在不同的拓扑和电路中,MOS管具有不同的作用。例如,在LLC中,体二极管的速度也是影响MOS管可靠性的一个重要因素。由于二极管本身是寄生参数,因此很难区分漏源体二极管故障和漏源电压故障。二极管故障的解决方案主要是通过结合自身电路来分析。

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MOS管失效的五大原因及解决措施

MOS管全称金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管,英文名metal oxide semiconductor,属于场效应管中的绝缘栅型,因此,MOS管有时候又称为绝缘栅场效应管。确切的说,这个名字描述了集成电路中MOS管的结构,即:在一定结构的半导体器件上,加上二氧化硅和金属,形成栅极。