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      詳解mos管原理及幾種常見失效分析

      2016年10月24日 17:00 電子發燒友網 作者:軼名 用戶評論(0

        mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。mos管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

        mos管—工作原理

        mos管的工作原理(以N溝道增強型mos場效應管)它是利用VGS來控制“感應電荷”的多少,以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況,然后達到控制漏極電流的目的。在制造管子時,通過工藝使絕緣層中出現大量正離子,故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷,這些負電荷把高滲雜質的N區接通,形成了導電溝道,即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時,溝道內被感應的電荷量也改變,導電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

      詳解mos管原理及幾種常見失效分析  

        mos管—N型/P型

        mosFET可以分成增強型和耗盡型,每一種又可以分成N溝道和P溝道。

        不過現實中,耗盡型的類型很少,而P溝道也比較少,最多的就是N溝道增強型mosFET,也就是增強型N-mosFET。

        大部分mos管的外觀極其類似,常見的封裝種類有TO252,TO220,TO92,TO3,TO247等等,但具體的型號有成千上萬種,因此光從外觀是無法區分的。對于不熟悉型號,經驗又比較少的人來說,比較好的方法就是查器件的datasheet(pdf格式,一般是英文),里面會詳細告訴你,它的類型和具體參數,這些參數對于你設計電路極有用。

        我們區分類型,一般就是看型號,比如IRF530,IRF540,IRF3205,IRPF250等這些都是很常見的增強型N-mosFET,而對應的IRF9530,IRF9540就是增強型P-mosFET,耗盡型的兩種,我至今還沒在實際電路中看到過具體的器件。

        結型管(J-FET)與mosFET并不互相包含,反而是并列關系,這兩種是場效應管的兩種類型,而JFET也可以分成N-JFET和P-JFET兩種,像2SK117,2SK596都是常見的N-JFET型號,不過P-JFET的具體型號我還沒見過,一般都融入了集成電路設計(IC設計)中。  

        無論N型或者P型mos管,其工作原理本質是一樣的。mos管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。mos管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會發生像三極管做開關時的因基極電流引起的電荷存儲效應,因此在開關應用中,mos管的開關速度應該比三極管快。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        Nmos的特性:Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊)就可以了。

        Pmos的特性:Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然Pmos可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用Nmos。

        mos管—失效的6大原因

        mos管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

        目前在市場應用方面,排名第一的是消費類電子電源適配器產品。而mos管的應用領域排名第二的是計算機主板、NB、計算機類適配器、LCD顯示器等產品,隨著國情的發展計算機主板、計算機類適配器、LCD顯示器對mos管的需求有要超過消費類電子電源適配器的現象了。

        第三的就屬網絡通信、工業控制、汽車電子以及電力設備領域了,這些產品對于mos管的需求也是很大的,特別是現在汽車電子對于mos管的需求直追消費類電子了。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        下面對mos失效的原因總結以下六點,然后對1,2重點進行分析:

        1:雪崩失效(電壓失效),也就是我們常說的漏源間的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。

        雪崩失效分析(電壓失效)

        到底什么是雪崩失效呢,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。

        下面的圖片為雪崩測試的等效原理圖,做為電源工程師可以簡單了解下。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        可能我們經常要求器件生產廠家對我們電源板上的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,那么到底我們怎么區分是否是雪崩失效呢,下面是一張經過雪崩測試失效的器件圖,我們可以進行對比從而確定是否是雪崩失效。

        雪崩失效的預防措施

        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。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        SOA失效(電流失效)

        再簡單說下第二點,SOA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。

        關于SOA各個線的參數限定值可以參考下面圖片。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        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

        我們電源上的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。

        這個是一個非典型的SOA導致失效的一個解刨圖,由于去過鋁,可能看起來不那么直接,參考下。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        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。有些有經驗的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)。它到底有什么影響呢,我們看下面FLYBACK電流波形圖(圖形不是太清楚,十分抱歉,建議雙擊放大觀看)。

        詳解mos管原理及幾種常見失效分析

        從圖中可以看出,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,這個就不多說了,各個企業都有自己的降額規范,嚴格執行就可以了,不行就加散熱器。

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