功率mos管燒毀原因分析及導(dǎo)致失效原因

mos 管可能會(huì)遭受與其他功率器件相同的故障，例如過(guò)電壓（半導(dǎo)體的雪崩擊穿）、過(guò)電流（鍵合線或者襯底熔化）、過(guò)熱（半導(dǎo)體材料由于高溫而分解）。

更具體的故障包括柵極和管芯其余部分之前的極薄氧化物擊穿，這可能發(fā)生在相對(duì)于漏極或者源極的任何過(guò)量柵極電壓中，可能是在低至10V-15V 時(shí)發(fā)生，電路設(shè)計(jì)必須將其限制在安全水平。

還有可能是功率過(guò)載，超過(guò)絕對(duì)最大額定值和散熱不足，都會(huì)導(dǎo)致mos管發(fā)生故障。接下來(lái)就來(lái)看看所有可能導(dǎo)致失效的原因。

過(guò)電壓

mos 管對(duì)過(guò)壓的耐受性非常小，即使超出額定電壓僅幾納秒，也可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

mos 管的額定電壓應(yīng)保守地考慮預(yù)期的電壓水平，并應(yīng)特別注意抑制任何電壓尖峰或振鈴。

瞬態(tài)電流過(guò)載

持續(xù)時(shí)間短、大電流過(guò)載會(huì)導(dǎo)致mos 管器件逐漸損壞，但是在故障發(fā)生前 mos 管的溫度幾乎沒(méi)有明顯升高，不太能察覺(jué)出來(lái)。（也可以看下面分析的直通和反向恢復(fù)部分）

擊穿（交叉?zhèn)鲗?dǎo)）

如果兩個(gè)相對(duì) mos 管的控制信號(hào)重疊，則可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)mos 管同時(shí)導(dǎo)通的情況，這會(huì)使電源短路，也就是擊穿條件。

如果發(fā)生這種情況，每次發(fā)生開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，電源去耦電容都會(huì)通過(guò)兩個(gè)器件快速放電，這會(huì)導(dǎo)致通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電流脈沖非常短但非常強(qiáng)。

通過(guò)允許開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換之間的死區(qū)時(shí)間（在此期間兩個(gè) mos 管 均不導(dǎo)通），可以最大限度地減少發(fā)生擊穿的機(jī)會(huì)，這允許一個(gè)mos 管在另一個(gè)mos 管打開(kāi)之前關(guān)閉。

沒(méi)有續(xù)流電流路徑

當(dāng)通過(guò)任何電感負(fù)載（例如特斯拉線圈）切換電流時(shí)，電流關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。在兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備都沒(méi)有承載負(fù)載電流時(shí)，必須為此電流提供續(xù)流路徑。

該電流通常通過(guò)與每個(gè)開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)連接的續(xù)流二極管安全地引導(dǎo)回電源軌道。

當(dāng) mos 管用作開(kāi)關(guān)器件時(shí)，工程師可以簡(jiǎn)單獲得 mos 管固有體二極管形式的續(xù)流二極管，這解決了一個(gè)問(wèn)題，但創(chuàng)造了一個(gè)全新的問(wèn)題......

mos 管體二極管的緩慢反向恢復(fù)

諸如特斯拉線圈之類(lèi)的高 Q 諧振電路能夠在其電感和自電容中存儲(chǔ)大量能量。

在某些調(diào)諧條件下，當(dāng)一個(gè) mos 管 關(guān)閉而另一個(gè)器件打開(kāi)時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致電流“續(xù)流”通過(guò) mos 管的內(nèi)部體二極管。

這個(gè)原本不是什么問(wèn)題，但當(dāng)對(duì)面的 mos 管 試圖開(kāi)啟時(shí)，內(nèi)部體二極管的緩慢關(guān)斷（或反向恢復(fù)）就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

與 mos 管 自身的性能相比，mos 管 體二極管通常具有較長(zhǎng)的反向恢復(fù)時(shí)間。如果一個(gè) mos 管 的體二極管在對(duì)立器件開(kāi)啟時(shí)導(dǎo)通，則類(lèi)似于上述擊穿情況發(fā)生“短路”。

這個(gè)問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)在每個(gè) mos 管周?chē)砑觾蓚€(gè)二極管來(lái)緩解。

首先，肖特基二極管與 mos 管 源極串聯(lián)，肖特基二極管可防止 mos 管體二極管被續(xù)流電流正向偏置。其次，高速（快速恢復(fù)）二極管并聯(lián)到 mos 管/肖特基對(duì)，以便續(xù)流電流完全繞過(guò) mos 管 和肖特基二極管。

這確保了 mos 管 體二極管永遠(yuǎn)不會(huì)被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，續(xù)流電流由快恢復(fù)二極管處理，快恢復(fù)二極管較少出現(xiàn)“擊穿”問(wèn)題。

過(guò)度的柵極驅(qū)動(dòng)

如果用太高的電壓驅(qū)動(dòng) mos 管 柵極，則柵極氧化物絕緣層可能會(huì)被擊穿，從而導(dǎo)致mos 管無(wú)法使用。

超過(guò) +/- 15 V的柵極-源極電壓可能會(huì)損壞柵極絕緣并導(dǎo)致故障，應(yīng)注意確保柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)有任何可能超過(guò)最大允許柵極電壓的窄電壓尖峰。

柵極驅(qū)動(dòng)不足（不完全開(kāi)啟）

mos 管 只能切換大量功率，因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)計(jì)為在開(kāi)啟時(shí)消耗最少的功率。工程師應(yīng)該確保 mos 管硬開(kāi)啟，以最大限度地減少傳導(dǎo)期間的耗散。

如果 mos 管未完全開(kāi)啟，則設(shè)備在傳導(dǎo)過(guò)程中將具有高電阻，并且會(huì)以熱量的形式消耗大量功率，10 到 15 伏之間的柵極電壓可確保大多數(shù) mos 管完全開(kāi)啟。

緩慢的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換

在穩(wěn)定的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)期間耗散的能量很少，但在過(guò)渡期間耗散了大量的能量。因此，應(yīng)該盡可能快地在狀態(tài)之間切換以最小化切換期間的功耗。

由于 mos 管 柵極呈現(xiàn)電容性，因此需要相當(dāng)大的電流脈沖才能在幾十納秒內(nèi)對(duì)柵極進(jìn)行充電和放電，峰值柵極電流可以高達(dá)一個(gè)安培。

雜散振蕩

mos 管 能夠在極短的時(shí)間內(nèi)切換大量電流，輸入也具有相對(duì)較高的阻抗，這會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題。在某些條件下，由于周?chē)娐分械碾s散電感和電容，高壓 mos 管 會(huì)以非常高的頻率振蕩。（頻率通常在低 MHz），但這樣是非常不受歡迎的，因?yàn)樗怯捎诰€性操作而發(fā)生的，并且代表了高耗散條件。

這種情況可以通過(guò)最小化 mos 管 周?chē)碾s散電感和電容來(lái)防止雜散振蕩，還應(yīng)使用低阻抗柵極驅(qū)動(dòng)電路來(lái)防止雜散信號(hào)耦合到器件的柵極。

“米勒”效應(yīng)

mos 管 在其柵極和漏極端子之間具有相當(dāng)大的“米勒電容”。在低壓或慢速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，這種柵漏電容很少引起關(guān)注，但是當(dāng)高壓快速開(kāi)關(guān)時(shí)，它可能會(huì)引起問(wèn)題。

當(dāng)?shù)撞科骷穆O電壓由于頂部 mos 管 的導(dǎo)通而迅速上升時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)潛在問(wèn)題。

這種高電壓上升率通過(guò)米勒電容電容耦合到 mos 管 的柵極，會(huì)導(dǎo)致底部 mos 管 的柵極電壓上升，從而導(dǎo)致mos 管也開(kāi)啟，就會(huì)存在擊穿情況，即使不是立即發(fā)生，也可以肯定 mos 管 故障。

米勒效應(yīng)可以通過(guò)使用低阻抗柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)最小化，該驅(qū)動(dòng)器在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)將柵極電壓鉗位到 0 伏，這減少了從漏極耦合的任何尖峰的影響。在關(guān)斷狀態(tài)下向柵極施加負(fù)電壓可以獲得進(jìn)一步的保護(hù)。例如，向柵極施加 -10 V電壓將需要超過(guò) 12 V的噪聲，以冒開(kāi)啟本應(yīng)關(guān)閉的 mos 管 的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)控制器的輻射干擾

想象一下，將 1pF 的電容從你的火花特斯拉線圈的頂部連接到固態(tài)控制器中的每個(gè)敏感點(diǎn)的效果，存在的數(shù)百千伏射頻可以毫無(wú)問(wèn)題地驅(qū)動(dòng)大量電流通過(guò)微型電容器直接進(jìn)入控制電路。

如果控制器沒(méi)有放置在屏蔽外殼中，這就是實(shí)際會(huì)發(fā)生的情況。

控制電路的高阻抗點(diǎn)幾乎不需要雜散電容即可導(dǎo)致異常操作，但運(yùn)行不正常的控制器可能會(huì)嘗試同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)相反的 mos 管 ，控制電子設(shè)備的有效射頻屏蔽至關(guān)重要。

分離電源和控制電路也是非常理想的，電源開(kāi)關(guān)電路中存在的快速變化的電流和電壓仍然具有輻射顯著干擾的能力。

對(duì)控制器的傳導(dǎo)干擾

大電流的快速切換會(huì)導(dǎo)致電源軌上的電壓驟降和瞬態(tài)尖峰。如果電源和控制電子設(shè)備共用一個(gè)或多個(gè)電源軌，則可能會(huì)對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾。

良好的去耦和中性點(diǎn)接地是應(yīng)該用來(lái)減少傳導(dǎo)干擾影響的技術(shù)。作用于驅(qū)動(dòng) mos 管 的變壓器耦合在防止電噪聲傳導(dǎo)回控制器方面非常有效。

靜電損壞

安裝 mos 管 或 IGBT 器件時(shí)，應(yīng)采取防靜電處理措施，以防止柵氧化層損壞。

高駐波比

這里要著重說(shuō)一下，來(lái)自一位專(zhuān)業(yè)射頻工程師的解釋?zhuān)涸诿}沖系統(tǒng)中，VSWR 不像在 CW 系統(tǒng)中那么大，但仍然是一個(gè)問(wèn)題。

在CW系統(tǒng)中，典型的發(fā)射器設(shè)計(jì)用于50歐姆的電阻輸出阻抗。工程師通過(guò)某種傳輸線連接到負(fù)載，希望負(fù)載和線路也是50歐姆，并且電力沿電線很好地流動(dòng)。

但如果負(fù)載阻抗不是50歐姆，那么一定量的功率會(huì)從阻抗不連續(xù)處反射回來(lái)。但反射功率會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)潛在問(wèn)題：

1、發(fā)射器看起來(lái)像一個(gè)負(fù)載并吸收了所有的功率，這不是一個(gè)好的現(xiàn)象。

例如，你的放大器效率為80%，你輸入的功率 1 KW，通常情況下，設(shè)備的功耗為200W，最終的功耗為800W，如果所有800W的功耗都被反射回來(lái)，忽然之間，這些設(shè)備就需要消耗全部的功耗。

2、前向波和反射波的組合會(huì)在傳輸線中產(chǎn)生駐波，在相距1/2波長(zhǎng)的點(diǎn)處會(huì)變得非常高，從而導(dǎo)致?lián)舸┗蛘咂渌涣记闆r，這本質(zhì)上是表現(xiàn)負(fù)載阻抗不是預(yù)期的結(jié)果。

如果你有一個(gè)射頻電源在幾十兆赫茲，你可以裝配一個(gè)開(kāi)放的平行線傳輸線，在脈沖系統(tǒng)中，你可能會(huì)遇到沿線路傳播的脈脈沖、阻抗不連續(xù)性、反射回以及與發(fā)送的下一個(gè)脈沖相加的問(wèn)題。

反射脈沖是相同極性還是不同極性取決于距離和相對(duì)阻抗。

如果你有幾個(gè)不匹配，可能會(huì)得到很多來(lái)回移動(dòng)的脈沖，這些脈沖會(huì)加強(qiáng)或者取消。這個(gè)對(duì)于商業(yè)配電來(lái)說(shuō)是一個(gè)真正的大問(wèn)題，因?yàn)檠鼐€路的傳播時(shí)間是線路頻率周期的很大一部分，當(dāng)斷路器打開(kāi)和關(guān)閉以及雷擊時(shí)會(huì)引起問(wèn)題。

以上就是關(guān)于mos管燒毀的原因分析，希望能夠幫助到大家。

編輯：黃飛