其利天下技術(shù)·MOS管燒了有哪些原因？BLDC驅(qū)動(dòng)方案

作為多年來在無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案公司工作的硬件工程師，今天給大家講一下關(guān)于MOS管燒毀的原因，文字比較多點(diǎn)，不容易讀，希望大家可以認(rèn)真看完。MOS 管可能會(huì)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(duì)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(shí)發(fā)生，電路設(shè)計(jì)必須將其限制在安全水平。 還有可能是功率過載，超過絕對(duì)最大額定值和散熱不足，都會(huì)導(dǎo)致MOS管發(fā)生故障。 接下來就來看看所有可能導(dǎo)致失效的原因。

過電壓

MOS管對(duì)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(zhǎng)時(shí)間電流過載

由于導(dǎo)通電阻相對(duì)較高，高平均電流會(huì)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(huì)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(shí)間短、大電流過載會(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(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)生開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，電源去耦電容都會(huì)通過兩個(gè)器件快速放電，這會(huì)導(dǎo)致通過兩個(gè)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(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(shí)，電流關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。在兩個(gè)開關(guān)設(shè)備都沒有承載負(fù)載電流時(shí)，必須為此電流提供續(xù)流路徑。 該電流通常通過與每個(gè)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(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)問題，但創(chuàng)造了一個(gè)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(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)器件打開時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致電流“續(xù)流”通過 MOS管的內(nèi)部體二極管。 這個(gè)原本不是什么問題，但當(dāng)對(duì)面的MOS管試圖開啟時(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)立器件開啟時(shí)導(dǎo)通，則類似于上述擊穿情況發(fā)生“短路”。 這個(gè)問題通常可以通過在每個(gè)MOS管周圍添加兩個(gè)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(duì)，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(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”問題。

過度的柵極驅(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管無法使用。 超過 +/- 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(dòng)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(jì)為在開啟時(shí)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(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(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(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(dòng)電路來防止雜散信號(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(shí)，它可能會(huì)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(shí)，就會(huì)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(huì)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(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)可以通過使用低阻抗柵極驅(qū)動(dòng)器來最小化，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12V的噪聲，以冒開啟本應(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問題地驅(qū)動(dòng)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(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(gè)問題。 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。但反射功率會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)潛在問題： 1、發(fā)射器看起來像一個(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(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)配電來說是一個(gè)真正的大問題，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)斷路器打開和關(guān)閉以及雷擊時(shí)會(huì)引起問題。 以上就是關(guān)于MOS管燒毀的原因分析。