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干货 | 详解MOS管原理及几种常见失效分析
发布时间:2020-07-20   点击次数:1065次

    MOS管英文全称为Metal Oxide Semiconductor即金属氧化物半导体,即在集成电路中绝缘性场效应管。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。

    MOS管的source和drain是可以对调的,都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能,这样的器件被认为是对称的。

 

MOS管工作原理

    MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流的目的。

 

    在制造管子时,通过工艺使绝缘层中出现大量正离子,故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷,这些负电荷把高渗杂质的N区接通,形成了导电沟道,即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时,沟道内被感应的电荷量也改变,导电沟道的宽窄也随之而变,因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

  

MOS管的分类

    MOS管按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种,按导电方式又分耗尽型与增强型,所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型,P沟耗尽型和增强型四大类。不过现实中,耗尽型的类型很少,而P沟道也比较少,多的就是N沟道增强型。

 

    大部分MOS管的外观极其类似,常见的封装种类有TO252 / TO220 / TO92 / TO3 / TO247等等,但具体的型号有成千上万种,因此光从外观是无法区分的。对于不熟悉型号,经验又比较少的人来说,比较好的方法就是查器件的datasheet。

    里面会详细告诉你,它的类型和具体参数,这些参数对于你设计电路极有用。我们区分类型,一般就是看型号,比如IRF530 / IRF540 / IRF3205 / IRPF250等这些都是很常见的N沟道增强型。 

  无论N型或者P型MOS管,其工作原理本质是一样的,是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性,不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应,因此在开关应用中,MOS管的开关速度应该比三极管快。

 

  • N型MOS管的特性:VGS大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到一定电压(如4V或10V,其他电压看手册)就可以了。

  • P型MOS管的特性:VGS小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(驱动)。但是,虽然P型MOS管可以很方便地用作驱动,但由于导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因,在驱动中通常还是使用N型MOS管。

 

MOS管失效的6大原因

  1. 雪崩失效(电压失效):也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOS管的额定电压,并且超过达到了一定的能力从而导致MOS管失效。

  2. 栅极电压失效:由于栅极遭受异常电压尖峰,而导致栅极栅氧层失效

  3. 静电失效:在秋冬季节,由于人体及设备静电而导致的器件失效。

  4. 谐振失效:在并联使用的过程中,栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。

  5. 体二极管失效: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。

  6. SOA失效(电流失效):既超出MOS管安全工作区引起失效,分为Id超出器件规格失效以及Id过大,损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。

 

雪崩失效(电压失效)

    到底什么是雪崩失效呢?简单来说MOS管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MOS管漏源之间,导致的一种失效模式。简而言之就是由于就是MOS管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。

  

雪崩破坏的预防措施:

  • 合理降额使用。目前,行业内降额一般选择80%-95%的降额。具体情况根据公司保修条款和电路重点来选择。

  • 合理的变压器反射电压。

  • 合理的RCD和TVS吸收电路设计。

  • 大电流接线尽量采用大、小布置,以减小接线寄生电感。

  • 选择一个合理的门电阻Rg。

  • 在大功率电源中,可以根据需要增加RC阻尼或齐纳二极管吸收。

  

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)。

 

门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。氧化物层咏性损坏。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。

  • 排水管之间的过电压保护:如果电路中存在电感负载,当设备关闭时,漏极电流(di/dt)的突然变化将导致漏极电压超调,这远远高于电源电压,从而导致设备损坏。应采取齐纳钳、RC钳或RC抑制电路等保护措施。

 

静电分析

    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:

  • 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。

  • 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)。

  • 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。

 

谐振失效

    当功率MOS管并联而不插入栅极电阻但直接连接时发生的栅极寄生振荡。当漏源电压在高速下反复接通和断开时,这种寄生振荡发生在由栅极漏极电容Cgd(Crss)和栅极pin电感Lg构成的谐振电路中。当建立共振条件(ωL=1/ωC)时,在栅极和源极之间施加远大于驱动电压Vgs(in)的振动电压,栅极因超过栅极源额定电压而损坏,漏源电压开关时的振动电压通过栅极漏极电容器Cgd和Vgs的重叠波形产生正反馈,可能引起故障引起振荡破坏。

  谐振失效预防措施:阻力可以抑制由于阻尼引起的振荡。然而,将一个小电阻串联到栅极上并不能解决振荡阻尼问题,主要原因是驱动电路的阻抗匹配和功率管开关时间的调整。

 

体二级管故障

    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。 

 

SOA失效(电流失效)

    半导体光放大器(SOA)失效是指在电源工作过程中,由于MOS管上同时叠加了异常大的电流和电压而引起的损伤模式。或者,芯片、散热器和封装不能及时达到热平衡,导致热量积聚,并且连续热产生导致温度超过由于热击穿模式而导致的氧化物层的极限。

 

  SOA失效的预防措施:确保在坏的情况下,MOS管的所有功率限制都在SOA限制线之内;OCP功能必须青、详细。

 

 

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