AMEYA360：MOS管失效的六大原因

功率器件在近幾年的市場(chǎng)方面發(fā)展的非?；鸨?，尤其是 MOS 管，他主要應用在電源適配器，電池管理系統以及逆變器和電機控制系統中。

　　而隨著(zhù)計算器主板，AI 顯卡，服務(wù)器等行業(yè)的爆發(fā)，低壓功率 MOS 管將再次迎來(lái)爆發(fā)性的市場(chǎng)需求。

　　在開(kāi)關(guān)電源應用領(lǐng)域，由于電源的 Controller 做的已經(jīng)非常完善，且大部分 Controller 為純硬件控制，廠(chǎng)家一般也會(huì )對布局布線(xiàn)和 MOS 的驅動(dòng)做專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，因此在開(kāi)關(guān)電源應用中的 MOS 燒壞的情況比較少，大部分表現為過(guò)熱。

　　而在電池管理系統，和電機控制系統以及逆變器系統中，MOS 管的燒壞概率就變得非常大，其原因在于，電池管理系統的保護瞬間電流突變，電機和逆變器系統中的 MOS 帶載都是非常大的感性負載，尤其是電機控制還面臨著(zhù)制動(dòng)帶來(lái)的反向電動(dòng)勢，都對 MOS 管的工作電壓和電流提出了更大的挑戰。

　　今天我們趁熱打鐵，分析一下 MOS 管最常見(jiàn)的 6 個(gè)失效模式。

　　失效模式 雪崩失效雪崩失效指的就是過(guò)壓擊穿，也就是我們常常說(shuō)的漏極和源極之間的電壓超過(guò)了 MOSFET 的額定電壓，并且達到了 MOSFET 耐受的極限，從而導致 MOSFET 失效。

　　SOA 失效SOA 失效指的是過(guò)流損壞，也就是說(shuō)，電流超過(guò)了 MOSFET 的安全工作區引起的失效，一般是由于 Id 超過(guò)了器件規格測定的最大值，使得 MOSFET 的熱損耗過(guò)大，長(cháng)期熱量累積而導致的失效。

　　靜電失效靜電失效比較好理解，幾乎任何電子元器件都面臨靜電問(wèn)題，尤其是在北方干燥的冬天。要知道，MOS 管的一般靜電耐受是 500V，非常的脆弱，所以冬天我們在操作 MOS 管的時(shí)候還是盡量使用防靜電手環(huán)和鑷子。

　　柵極擊穿柵極擊穿指的是柵極遭受異常電壓導致柵極柵氧化層失效，一般我們驅動(dòng) MOS 管的 Vgs 設定在 12V，器件手冊中雖然標注了 Vth 一般在 2-5V，但是對于不同的 Vgs 會(huì )對應不同的 Rdson，因此我們通常選用 12V 或者 15V 來(lái)保證 MOSFET 的完全開(kāi)啟。而這個(gè)電壓并不能像 MOS 的 Vds 一樣具備很高的耐電壓能力，Vgs 一般會(huì )被限制在 20V 以?xún)?，超過(guò) 20V 將有可能擊穿柵極。

　　柵極擊穿后，一般使用萬(wàn)用表可以測量出來(lái)，GS 之間短路，而 DS 之間正常成高阻態(tài)。

　　諧振失效無(wú)論是電池管理系統，還是逆變器和電機控制領(lǐng)域，我們通常會(huì )使用 MOS 的多并聯(lián)設計，由于 MOSFET 本身參數的不一致性會(huì )導致每個(gè) MOSFET 的柵極及電路寄生參數不同，在一同開(kāi)關(guān)的時(shí)候，由于開(kāi)通的先后順序問(wèn)題引起開(kāi)關(guān)震蕩，進(jìn)一步損壞MOSFET，因此在并聯(lián)使用的時(shí)候一定要注意布局布線(xiàn)，以及 MOS 的Vth 選擇和供應鏈管理，這一點(diǎn)我將專(zhuān)門(mén)另一起篇文章討論。

　　體二極管失效在電機控制，橋式整流和 LLC 等控制系統中，我們需要利用 MOSFET 的體二極管進(jìn)行續流，一般情況下體二極管的反向恢復時(shí)間會(huì )比較慢，因此容易出現過(guò)功率而導致體二極管失效。因此一般控制頻率比較高的系統中，我們需要在 MOSFET 外面并聯(lián)一個(gè)快恢復二極管或者肖特基。下面，我們就過(guò)壓擊穿和過(guò)流燒毀再詳細分析一下它的失效過(guò)程和預防措施

　　雪崩失效及其預防

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MOSFET 在電源板上由于母線(xiàn)電壓，變壓器反射電壓，電機的反向電動(dòng)勢，漏感尖峰電壓等等系統中的高壓交疊之后，都將疊加在 MOSFET 的漏源極之間。MOSFET 的手冊中一般會(huì )包含單面沖雪崩能量 Eas、重復脈沖雪崩能量 Ear 和單次脈沖雪崩電流 Ias 等參數，這些參數反映了該功率 MOSFET 的雪崩能力。

　　?其實(shí)在實(shí)際的 MOSFET 中還存在著(zhù)一個(gè)寄生的三極管，就像漏源極之間的續流二極管一樣，可以看下面的內部示意圖和對應的等效電路圖：

　　我們可以看到，這個(gè)寄生的 BJT 是直接并聯(lián)在 MOSFET 上面的，因此，當 MOSFET 漏極存在一個(gè)大電流 Id 和高壓 Vd 時(shí)，器件內部的電離作用加劇，出現大量的空穴電流，這些電流流過(guò) Rb 電阻進(jìn)入源極就導致了寄生三極管的基極電勢升高，也就是 Vb 會(huì )升高，那么寄生三極管就會(huì )導通，從而發(fā)生雪崩擊穿，所以，其內部是由于過(guò)壓產(chǎn)生了電流流入了寄生三極管，三極管導通了，就等于 MOSFET 也導通了。

　　預防的措施：雪崩失效歸根結底是電壓失效，因此預防我們著(zhù)重從電壓來(lái)考慮。具體可以參考以下的方式來(lái)處理。1：合理降額使用，目前行業(yè)內的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。2：合理的變壓器反射電壓。3：合理的RCD及TVS吸收電路設計。4：大電流布線(xiàn)盡量采用粗、短的布局結構，盡量減少布線(xiàn)寄生電感。5：選擇合理的柵極電阻Rg。6：在大功率電源中，可以根據需要適當的加入RC減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

　　SOA失效機器預防SOA失效是指電源在運行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在MOSFET上面，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導致的破壞模式?；蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時(shí)達到熱平衡導致熱積累，持續的發(fā)熱使溫度超過(guò)氧化層限制而導致的熱擊穿模式。關(guān)于SOA各個(gè)線(xiàn)的參數限定值可以參考下面圖片，每個(gè) MOSFET 的數據手冊里面都有。

　　下面我們分析下圖中標注的 5 個(gè)區域的含義

　　這個(gè)地方主要限制最大的額定電流和脈沖電流，因為此刻的橫軸顯示電壓很低，那么更多的是大電流導致的 SOA 失效。

　　在 2 的區域內屬于電流電壓都安全的區域，但是也要看器件的結溫(取決于 Rdson 大小)，如果結溫超過(guò)了 150 度，也會(huì )導致 SOA 失效。

　　在 3 號區域內，我們可以看到根據不同的時(shí)間被擴展了三次，分別對應著(zhù) 10ms，1ms 和 100us，這里主要看器件的耗散功率，本質(zhì)上是能夠承受住 10ms 的最大電流值。

　　在 4 號區域，這是一個(gè)電流值封頂的區域，這里指的就是脈沖電流的最大值的限制，超過(guò)了就會(huì )導致 SOA 失效。

　　在 5 號區域，這是一個(gè)電壓的封頂區域，這里主要限制 Vds 上的電壓。

　　我們電路中的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區的范圍內(2 和 3)，就能有效的規避由于MOSFET而導致的電源失效問(wèn)題的產(chǎn)生。預防措施：

　　確保在最差條件下，MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線(xiàn)以?xún)取?/p>

　　將OCP功能一定要做精確細致。在進(jìn)行OCP點(diǎn)設計時(shí)，一般可能會(huì )取1.1-1.5倍電流余量，然后就根據IC的保護電壓比如0.7V開(kāi)始調試RSENSE電阻。另外有些MOSDriver 還集成了過(guò)流保護功能，也可以嘗試，就是貴。

　　合理的熱設計冗余也是非常必要的，對于額定電流和最大電流工作時(shí)間的可靠性測試必不可少，記得疊加上工作環(huán)境溫度。