干货|原来MOS管都是这样损坏的

电子工程世界 2021-07-23 07:36

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Mos开关原理(简要):
Mos是电压驱动型器件,只要栅极和源级间给一个适当电压,源级和漏级间通路就形成。这个电流通路的电阻被成为Mos内阻,就是导通电阻。这个内阻大小基本决定了Mos芯片能承受的最大导通电流(当然和其它因素有关,最有关的是热阻),内阻越小承受电流越大(因为发热小)。

Mos管在控制器电路中的工作状态:
开通过程(由截止到导通的过渡过程)、导通状态、关断过程(由导通到截止的过渡过程)、截止状态。


Mos管烧坏的原因主要损耗也对应这几个状态,开关损耗(开通过程和关断过程),导通损耗,截止损耗(漏电流引起的,这个忽略不计),还有雪崩能量损耗。只要把这些损耗控制在mos承受规格之内,mos即会正常工作,超出承受范围,即发生损坏。而开关损耗往往大于导通状态损耗,不同mos这个差距可能很大。

Mos损坏主要原因:

过流:持续大电流或瞬间超大电流引起的结温过高而烧毁;
过压:源漏过压击穿、源栅极过压击穿;
静电:静电击穿,CMOS电路都怕静电

第一种:雪崩破坏


如果在漏极-源极间外加超出器件额定VDSS的电涌电压,而且达到击穿电压V(BR)DSS (根据击穿电流其值不同),并超出一定的能量后就发生破坏的现象。

在介质负载的开关运行断开时产生的回扫电压,或者由漏磁电感产生的尖峰电压超出功率MOSFET的漏极额定耐压并进入击穿区而导致破坏的模式会引起雪崩破坏。

典型电路:

第二种:器件发热损坏


由超出安全区域引起发热而导致的。发热的原因分为直流功率和瞬态功率两种。

直流功率原因:外加直流功率而导致的损耗引起的发热
  • 导通电阻RDS(on)损耗(高温时RDS(on)增大,导致一定电流下,功耗增加)
  • 由漏电流IDSS引起的损耗(和其他损耗相比极小)
  • 瞬态功率原因:外加单触发脉冲
  • 负载短路
  • 开关损耗(接通、断开) *(与温度和工作频率是相关的)
  • 内置二极管的trr损耗(上下桥臂短路损耗)(与温度和工作频率是相关的)
器件正常运行时不发生的负载短路等引起的过电流,造成瞬时局部发热而导致破坏。另外,由于热量不相配或开关频率太高使芯片不能正常散热时,持续的发热使温度超出沟道温度导致热击穿的破坏。


第三种:内置二极管破坏


在DS端间构成的寄生二极管运行时,由于在Flyback时功率MOSFET的寄生双极晶体管运行,导致此二极管破坏的模式。


第四种:由寄生振荡导致的破坏


此破坏方式在并联时尤其容易发生。在并联功率MOS FET时未插入栅极电阻而直接连接时发生的栅极寄生振荡。高速反复接通、断开漏极-源极电压时,在由栅极-漏极电容Cgd(Crss)和栅极引脚电感Lg形成的谐振电路上发生此寄生振荡。当谐振条件(ωL=1/ωC)成立时,在栅极-源极间外加远远大于驱动电压Vgs(in)的振动电压,公众号:芯片电子之家。由于超出栅极-源极间额定电压导致栅极破坏,或者接通、断开漏极-源极间电压时的振动电压通过栅极-漏极电容Cgd和Vgs波形重叠导致正向反馈,因此可能会由于误动作引起振荡破坏。

第五种:栅极电涌、静电破坏


主要有因在栅极和源极之间如果存在电压浪涌和静电而引起的破坏,即栅极过电压破坏和由上电状态中静电在GS两端(包括安装和和测定设备的带电)而导致的栅极破坏。

总结:

避免MOS因为器件发热而造成的损坏,需要做好足够的散热设计。若通过增加散热器和电路板的长度来供所有MOS管散热,这样就会增加机箱的体积,同时这种散热结构,风量发散,散热效果不好。

有些大功率逆变器MOS管会安装通风纸来散热,但安装很麻烦。所以MOS管对散热的要求很高,散热条件分为最低和最高,即在运行中的散热情况的上下浮动范围。一般在选购的时候通常采用最差的散热条件为标准,这样在使用的时候就可以留出最大的安全余量,即使在高温中也能确保系统的正常运行。

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