功率MOS管燒毀原因總結(jié)

MOS 管可能會遭受與其他功率器件相同的故障，例如過電壓(半導(dǎo)體的雪崩擊穿)、過電流(鍵合線或者襯底熔化)、過熱(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)生在相對于漏極或者源極的任何過量柵極電壓中，可能是在低至10V-15V 時發(fā)生，電路設(shè)計必須將其限制在安全水平。

還有可能是功率過載，超過絕對最大額定值和散熱不足，都會導(dǎo)致MOS管發(fā)生故障。

接下來就來看看所有可能導(dǎo)致失效的原因。

過電壓

MOS管對過壓的耐受性非常小，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。

長時間電流過載

由于導(dǎo)通電阻相對較高，高平均電流會在MOS管中引起相當(dāng)大的熱耗散。

如果電流非常高且散熱不良，則MOS管可能會因溫升過高而損壞。

MOS管可以直接并聯(lián)以共享高負(fù)載電流。

瞬態(tài)電流過載

持續(xù)時間短、大電流過載會導(dǎo)致MOS管器件逐漸損壞，但是在故障發(fā)生前MOS管的溫度幾乎沒有明顯升高，不太能察覺出來。(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))

如果兩個相對MOS管的控制信號重疊，則可能會出現(xiàn)兩個MOS管同時導(dǎo)通的情況，這會使電源短路，也就是擊穿條件。

如果發(fā)生這種情況，每次發(fā)生開關(guān)轉(zhuǎn)換時，電源去耦電容都會通過兩個器件快速放電，這會導(dǎo)致通過兩個開關(guān)設(shè)備的電流脈沖非常短但非常強(qiáng)。

通過允許開關(guān)轉(zhuǎn)換之間的死區(qū)時間(在此期間兩個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，這允許一個MOS管在另一個MOS管打開之前關(guān)閉。

沒有續(xù)流電流路徑

當(dāng)通過任何電感負(fù)載(例如特斯拉線圈)切換電流時，電流關(guān)閉時會產(chǎn)生反電動勢。在兩個開關(guān)設(shè)備都沒有承載負(fù)載電流時，必須為此電流提供續(xù)流路徑。

該電流通常通過與每個開關(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管用作開關(guān)器件時，工程師可以簡單獲得MOS管固有體二極管形式的續(xù)流二極管，這解決了一個問題，但創(chuàng)造了一個全新的問題......

MOS管體二極管的緩慢反向恢復(fù)

諸如特斯拉線圈之類的高 Q 諧振電路能夠在其電感和自電容中存儲大量能量。

在某些調(diào)諧條件下，當(dāng)一個MOS管關(guān)閉而另一個器件打開時，這會導(dǎo)致電流“續(xù)流”通過 MOS管的內(nèi)部體二極管。

這個原本不是什么問題，但當(dāng)對面的MOS管試圖開啟時，內(nèi)部體二極管的緩慢關(guān)斷(或反向恢復(fù))就會出現(xiàn)問題。

與MOS管 自身的性能相比，MOS管 體二極管通常具有較長的反向恢復(fù)時間。如果一個 MOS管的體二極管在對立器件開啟時導(dǎo)通，則類似于上述擊穿情況發(fā)生“短路”。

這個問題通常可以通過在每個MOS管周圍添加兩個二極管來緩解。

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，以便續(xù)流電流完全繞過MOS管和肖特基二極管。

這確保了MOS管體二極管永遠(yuǎn)不會被驅(qū)動導(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”問題。

過度的柵極驅(qū)動

如果用太高的電壓驅(qū)動MOS管柵極，則柵極氧化物絕緣層可能會被擊穿，從而導(dǎo)致MOS管無法使用。

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

柵極驅(qū)動不足(不完全開啟)

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

如果MOS管未完全開啟，則設(shè)備在傳導(dǎo)過程中將具有高電阻，并且會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管完全開啟。

緩慢的開關(guān)轉(zhuǎn)換

在穩(wěn)定的開啟和關(guān)閉狀態(tài)期間耗散的能量很少，但在過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)對柵極進(jìn)行充電和放電，峰值柵極電流可以高達(dá)一個安培。

雜散振蕩

MOS管 能夠在極短的時間內(nèi)切換大量電流，輸入也具有相對較高的阻抗，這會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。在某些條件下，由于周圍電路中的雜散電感和電容，高壓MOS管會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。

這種情況可以通過最小化MOS管周圍的雜散電感和電容來防止雜散振蕩，還應(yīng)使用低阻抗柵極驅(qū)動電路來防止雜散信號耦合到器件的柵極。

“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)高壓快速開關(guān)時，它可能會引起問題。

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，就會出現(xiàn)潛在問題。

這種高電壓上升率通過米勒電容電容耦合到MOS管的柵極，會導(dǎo)致底部MOS管的柵極電壓上升，從而導(dǎo)致MOS管也開啟，就會存在擊穿情況，即使不是立即發(fā)生，也可以肯定MOS管故障。

米勒效應(yīng)可以通過使用低阻抗柵極驅(qū)動器來最小化，該驅(qū)動器在關(guān)閉狀態(tài)時將柵極電壓鉗位到 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12V的噪聲，以冒開啟本應(yīng)關(guān)閉的MOS管的風(fēng)險。

對控制器的輻射干擾

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)控制器中的每個敏感點(diǎn)的效果，存在的數(shù)百千伏射頻可以毫無問題地驅(qū)動大量電流通過微型電容器直接進(jìn)入控制電路。

如果控制器沒有放置在屏蔽外殼中，這就是實(shí)際會發(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嘗試同時打開兩個相反的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。

對控制器的傳導(dǎo)干擾

大電流的快速切換會導(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)備共用一個或多個電源軌，則可能會對控制電路產(chǎn)生干擾。

良好的去耦和中性點(diǎn)接地是應(yīng)該用來減少傳導(dǎo)干擾影響的技術(shù)。作用于驅(qū)動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，應(yīng)采取防靜電處理措施，以防止柵氧化層損壞。

高駐波比

這里要著重說一下，來自一位專業(yè)射頻工程師的解釋。

在脈沖系統(tǒng)中，VSWR不像在CW系統(tǒng)中那么大，但仍然是一個問題。

在CW系統(tǒng)中，典型的發(fā)射器設(shè)計用于50歐姆的電阻輸出阻抗。工程師通過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。

但如果負(fù)載阻抗不是50歐姆，那么一定量的功率會從阻抗不連續(xù)處反射回來。 但反射功率會導(dǎo)致幾個潛在問題：

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

例如，你的放大器效率為80%，你輸入的功率1KW，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，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在傳輸線中產(chǎn)生駐波，在相距1/2波長的點(diǎn)處會變得非常高，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。

如果你有一個射頻電源在幾十兆赫茲，你可以裝配一個開放的平行線傳輸線，在脈沖系統(tǒng)中，你可能會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)送的下一個脈沖相加的問題。

反射脈沖是相同極性還是不同極性取決于距離和相對阻抗。

如果你有幾個不匹配，可能會得到很多來回移動的脈沖，這些脈沖會加強(qiáng)或者取消。這個對于商業(yè)配電來說是一個真正的大問題，因?yàn)檠鼐€路的傳播時間是線路頻率周期的很大一部分，當(dāng)斷路器打開和關(guān)閉以及雷擊時會引起問題。

以上就是關(guān)于MOS管燒毀的原因分析，有的是自己的經(jīng)驗(yàn)，有的地方詢問了其他工程師，有的是別人的一些經(jīng)驗(yàn)，我都總結(jié)在了一起，希望能夠幫助到大家。

審核編輯：湯梓紅