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  • MOS管雪崩、SOA失效及發熱是什么原因造成的詳細解答

    2021-07-03 11:49:14

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    1、雪崩失效(電壓失效),也就是漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓,并且超過達到了一定的能力從而導致MOSFET失效。2、SOA失效(電流失效),既超出MOSFET安全工作區引起失效,分為Id超出器件規格失效以及Id過大,損耗過高器件長時間熱積累而導致的失效。3、體二極管失效:在橋式、LLC等有用到體二極管進行續流的拓撲結構中,由于體二極管遭受破壞而導致的失效。4、諧振失效:在并聯使

    本文對MOS失效原因總結以下六點,然后對1,2重點進行分析:

    1、雪崩失效(電壓失效),也就是漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓,并且超過達到了一定的能力從而導致MOSFET失效。

    2、SOA失效(電流失效),既超出MOSFET安全工作區引起失效,分為Id超出器件規格失效以及Id過大,損耗過高器件長時間熱積累而導致的失效。

    3、體二極管失效:在橋式、LLC等有用到體二極管進行續流的拓撲結構中,由于體二極管遭受破壞而導致的失效。

    4、諧振失效:在并聯使用的過程中,柵極及電路寄生參數導致震蕩引起的失效。

    5、靜電失效:在秋冬季節,由于人體及設備靜電而導致的器件失效。

    6、柵極電壓失效:由于柵極遭受異常電壓尖峰,而導致柵極柵氧層失效。

    MOS管失效分析-雪崩失效、SOA失效

    (一)雪崩失效分析(電壓失效)

    什么是雪崩失效呢,簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統電壓疊加在MOSFET漏源之間,導致的一種失效模式。

    簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規定電壓值并達到一定的能量限度而導致的一種常見的失效模式。


    可能我們經常要求器件生產廠家對電源板上的MOSFET進行失效分析,大多數廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結論,那么到底怎么區分是否是雪崩失效呢

    雪崩失效預防措施

    雪崩失效歸根結底是電壓失效,因此預防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。

    1、合理降額使用,目前行業內的降額一般選取80%-95%的降額,具體情況根據企業的保修條款及電路關注點進行選取。

    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、大電流布線盡量采用粗、短的布局結構,盡量減少布線寄生電感。

    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行吸收。

    (二)SOA失效(電流失效)

    SOA失效是指電源在運行時異常的大電流和電壓同時疊加在MOSFET上面,造成瞬時局部發熱而導致的破壞模式?;蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時達到熱平衡導致熱積累,持續的發熱使溫度超過氧化層限制而導致的熱擊穿模式。

    1.受限于最大額定電流及脈沖電流

    2.受限于最大節溫下的RDSON。

    3.受限于器件最大的耗散功率。

    4.受限于最大單個脈沖電流。

    5.擊穿電壓BVDSS限制區。

    電源上的MOSFET,只要保證能器件處于上面限制區的范圍內,就能有效的規避由于MOSFET而導致的電源失效問題的產生。

    SOA失效的預防措施

    1、確保在最差條件下,MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內。

    2、將OCP功能一定要做精確細致。

    在進行OCP點設計時,一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多,然后就根據IC的保護電壓比如0.7V開始調試RSENSE電阻。

    有些人會將檢測延遲時間、CISS對OCP實際的影響考慮在內。但是此時有個更值得關注的參數,那就是MOSFET的Td(off)。

    電流波形在快到電流尖峰時,有個下跌,這個下跌點后又有一段的上升時間,這段時間其本質就是IC在檢測到過流信號執行關斷后,MOSFET本身也開始執行關斷,

    但是由于器件本身的關斷延遲,因此電流會有個二次上升平臺,如果二次上升平臺過大,那么在變壓器余量設計不足時,就極有可能產生磁飽和的一個電流沖擊或者電流超器件規格的一個失效。

    3、合理的熱設計余量,不行就加散熱器。

    MOS管發熱分析

    1.電路設計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態,而不是在開關狀態。這也是導致MOS管發熱的一個原因。如果N-MOS做開關,G級電壓要比電源高幾V,才能完全導通,P-MOS則相反。

    沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。

    2.頻率太高,主要是有時過分追求體積,導致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發熱也加大了。

    3.沒有做好足夠的散熱設計,電流太高,MOS管標稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流,也可能發熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片。

    4.MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內阻沒有充分考慮,導致開關阻抗增大。

    如何解決MOS管發熱問題?

    為了解決MOS管發熱問題,要準確判斷是否是這些原因造成,最重要的是進行正確的測試,才能發現問題所在。通過這次解決這個MOS發熱問題,發現正確選擇關鍵點的測試,是否和分析的一致,才是解決問題之關鍵。

    在進行開關電源測試中,除了用三用表測量控制電路其他器件的引腳電壓,比較重要的是用示波器測量相關的電壓波形。當判斷開關電源是否工作正常,測試什么地方才能反映出電源的工作狀態,變壓器原邊和次級以及輸出反饋是否合理,開關MOS管是否工作正常,PWM控制器輸出端是否正常,包括脈沖的幅度和占空比是否正常,等等。

    測試點的合理選擇非常重要,正確選擇既安全可靠測量,又能反映故障的原因所在,迅速查找出原因。

    根據開關電源所了解的,一般引起MOS管發熱的原因是:

    1、驅動頻率過高。

    2、G極驅動電壓不夠。

    3、通過漏極和源極的Id電流太高。

    因此測試重點放在MOS管上,準確測試它的工作狀況,才是問題的根本。

    Q1為功率開關MOS管,A點為漏極,B點為源極,R為電流取樣電阻,C點為接地端。把雙蹤示波器的兩個探頭分別接到A和B點,兩個探頭接地端同時卡住電阻R的接地端C處。

    取樣電阻R的B測試點電壓波形

    A和B點,這就是兩個關鍵的測試點,基本上反映了開關電源的工作狀態和故障所在,導通的時候的尖峰電壓和尖峰電流非常大,如果能夠將導通的尖峰電壓和尖峰電流消除,那么損耗能降一大半,MOS發熱的問題就能解決。當然也是發現MOS管工作正常與否的最直接反映。

    通過測試結果分析后,改變柵極驅動電阻阻值,選擇合適的頻率,給MOS管完全導通創造條件,MOS工作后有效的降低了尖峰電壓,又選擇了內阻更小的MOS管,使在開關過程中管子本身的壓降降低。同時合理選擇的散熱器。

    經過這樣處理后,重新實驗,讓整個電源正常工作后,加大負載到滿負荷工作,MOS管發熱始終沒有超過50°,應該是比較理想。

    在用示波器測試過程中,要特別注意這兩個測試點的波形,在逐步升高輸入電壓的時候,如果發現峰值電壓或者峰值電流超過設計范圍,并注意MOS管發熱情況,如果異常,應該立刻關閉電源,查找原因所在,防止MOS管損壞。


    作者: 奧科半導體
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    MOS管雪崩、SOA失效及發熱是什么原因造成的詳細解答
    1、雪崩失效(電壓失效),也就是漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓,并且超過達到了一定的能力從而導致MOSFET失效。2、SOA失效(電流失效),既超出MOSFET安全工作區引起失效,分為Id超出器件規格失效以及Id過大,損耗過高器件長時間熱積累而導致的失效。3、體二極管失效:在橋式、LLC等有用到體二極管進行續流的拓撲結構中,由于體二極管遭受破壞而導致的失效。4、諧振失效:在并聯使
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