MOSFET管失效的常見(jiàn)的六個(gè)原因分析

MOS管是金屬（metal）—氧化物（oxide）—半導(dǎo)體（semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體（insulator）—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。要正確測(cè)試判斷MOSFET是否失效，重要關(guān)鍵是要找到失效背后的原因，并避免再犯同樣的錯(cuò)誤，本文收集整理了一些資料，期望能對(duì)各位讀者有比較大的參閱價(jià)值。

用萬(wàn)用表簡(jiǎn)單檢測(cè)MOS管是否完好

測(cè)試MOS好壞用指針式萬(wàn)用表方便點(diǎn)，測(cè)試時(shí)選擇歐姆R×10K檔，這時(shí)電壓可達(dá)10.5V，紅筆是負(fù)電位，黑筆是正電位。

測(cè)試步驟：

MOS管的檢測(cè)主要是判斷MOS管漏電、短路、斷路、放大。其步驟如下：

1）把紅筆接到MOS的源極S上，黑筆接到MOS管的漏極上，好的表針指示應(yīng)該是無(wú)窮大。如果有阻值沒(méi)被測(cè)MOS管有漏電現(xiàn)象。

2）用一只100KΩ－200KΩ的電阻連在柵極和源極上，然后把紅筆接到MOS的源極S上，黑筆接到MOS管的漏極上，這時(shí)表針指示的值一般是0，這時(shí)是下電荷通過(guò)這個(gè)電阻對(duì)MOS管的柵極充電，產(chǎn)生柵極電場(chǎng)，由于電場(chǎng)產(chǎn)生導(dǎo)致導(dǎo)電溝道致使漏極和源極導(dǎo)通，故萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度大，放電性越好。

3）把連接?xùn)艠O和源極的電阻移開(kāi)，萬(wàn)用表紅黑筆不變，如果移開(kāi)電阻后表針慢慢逐步退回到高阻或無(wú)窮大，則MOS管漏電，不變則完好。

4）然后一根導(dǎo)線把MOS管的柵極和源極連接起來(lái)，如果指針立即返回?zé)o窮大，則MOS完好。

MOSFET失效的六大原因分析

一、雪崩失效（電壓失效）

也就是我們常說(shuō)的漏源間的BVdss電壓超過(guò)MOSFET的額定電壓，并且超過(guò)達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡(jiǎn)而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過(guò)其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見(jiàn)的失效模式。

雪崩失效的預(yù)防措施：

雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)防我們著重從電壓來(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(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選??；

2、合理的變壓器反射電壓；

3、合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計(jì)；

4、大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，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(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

二、SOA失效（電流失效）

SOA失效是指電源在運(yùn)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(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過(guò)氧化層限制而導(dǎo)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(jié)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(gè)脈沖電流；

5、擊穿電壓BVDSS限制區(qū)。

我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問(wèn)題的產(chǎn)生。

SOA失效的預(yù)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(nèi)；

2、將OCP功能一定要做精確細(xì)致。

在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般可能會(huì)取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開(kāi)始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)將檢測(cè)延遲時(shí)間、CISS對(duì)OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時(shí)有個(gè)更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td（off）。

三、體二極管失效

在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

在不同的拓?fù)?、電路中，MOSFET有不同的角色，比如在LLC中，體內(nèi)二極管的速度也是MOSFET可靠性的重要因素。漏源間的體二極管失效和漏源電壓失效很難區(qū)分，因?yàn)槎O管本身屬于寄生參數(shù)。雖然失效后難以區(qū)分軀體緣由，但是預(yù)防電壓及二極管失效的解決辦法存在較大差異，主要結(jié)合自己電路來(lái)分析。

體二極管失效預(yù)防措施：

其實(shí)MOS管的D和S本質(zhì)上是對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，只是溝道的兩個(gè)接點(diǎn)。但是由于溝道的開(kāi)啟和關(guān)閉涉及到柵極和襯底之間的電場(chǎng)，那么就需要給襯底一個(gè)確定的電位。又因?yàn)镸OS管只有3個(gè)管腳，所以需要把襯底接到另外兩個(gè)管腳之一。那么接了襯底的管腳就是S了，沒(méi)接襯底的管腳就是D，我們應(yīng)用時(shí)，S的電位往往是穩(wěn)定的。在集成電路中，比如CMOS中或者還有模擬開(kāi)關(guān)中，由于芯片本身有電源管腳，所以那些MOS管的襯底并不和管腳接在一起，而是直接接到電源的VCC或者VEE，這時(shí)候D和S就沒(méi)有任何區(qū)別了。

四、諧振失效

在并聯(lián)功率MOSFET時(shí)未插入柵極電阻而直接連接時(shí)發(fā)生的柵極寄生振蕩。高速反復(fù)接通、斷開(kāi)漏極-源極電壓時(shí)，在由柵極-漏極電容Cgd（Crss）和柵極引腳電感Lg形成的諧振電路上發(fā)生此寄生振蕩。當(dāng)諧振條件（ωL=1/ωC）成立時(shí)，在柵極-源極間外加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電壓Vgs（in）的振動(dòng)電壓，由于超出柵極-源極間額定電壓導(dǎo)致柵極破壞，或者接通、斷開(kāi)漏極-源極間電壓時(shí)的振動(dòng)電壓通過(guò)柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形重疊導(dǎo)致正向反饋，因此可能會(huì)由于誤動(dòng)作引起振蕩破壞。

諧振失效預(yù)防措施：

電阻可以抑制振蕩，是因?yàn)樽枘岬淖饔谩５珫艠O串接一個(gè)小電阻，并非解決振蕩阻尼問(wèn)題。主要還是驅(qū)動(dòng)電路阻抗匹配的原因，和調(diào)節(jié)功率管開(kāi)關(guān)時(shí)間的原因。

五、靜電失效

靜電的基本物理特征為：有吸引或排斥的力量；有電場(chǎng)存在，與大地有電位差；會(huì)產(chǎn)生放電電流。這三種情形會(huì)對(duì)電子元件造成以下影響：

1、元件吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響元件的功能和壽命；

2、因電場(chǎng)或電流破壞元件絕緣層和導(dǎo)體，使元件不能工作（完全破壞）；

3、因瞬間的電場(chǎng)軟擊穿或電流產(chǎn)生過(guò)熱，使元件受傷，雖然仍能工作，但是壽命受損。

靜電失效的預(yù)防措施：

MOS電路輸入端的保護(hù)二極管，其導(dǎo)通時(shí)電流容限一般為1mA 在可能出現(xiàn)過(guò)大瞬態(tài)輸入電流（超過(guò)10mA）時(shí)，應(yīng)串接輸入保護(hù)電阻。由于初期設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有加入保護(hù)電阻，所以這也是MOS管可能擊穿的原因，而通過(guò)更換一個(gè)內(nèi)部有保護(hù)電阻的MOS管應(yīng)可防止此種失效的發(fā)生。還有由于保護(hù)電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間信號(hào)和過(guò)高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用。所以焊接時(shí)電烙鐵必須可靠接地，以防漏電擊穿器件輸入端，一般使用時(shí)，可斷電后利用電烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，并先焊其接地管腳。

六、柵極電壓失效

柵極的異常高壓來(lái)源主要有以下3種原因：

1、在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過(guò)程中的靜電。

2、由器件及電路寄生參數(shù)在電源系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的高壓諧振。

3、在高壓沖擊時(shí)，高電壓通過(guò)Ggd傳輸?shù)綎艠O（在雷擊測(cè)試時(shí)，這種原因?qū)е碌氖л^為常見(jiàn)）。

至于PCB污染等級(jí)、電氣間隙及其它高壓擊穿IC后進(jìn)入柵極等現(xiàn)象就不做過(guò)多解釋。

柵極電壓失效的預(yù)防措施：

柵源間的過(guò)電壓保護(hù)，即如果柵源間的阻抗過(guò)高，則漏源間電壓的突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓過(guò)沖，這一電壓會(huì)引起柵極氧化層永久性損壞， 如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或并接穩(wěn)壓值約20V的穩(wěn)壓管。特別要注意防止柵極開(kāi)路工作。

其次是漏極間的過(guò)電壓防護(hù)。如果電路中有電感性負(fù)載，則當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，漏極電流的突變（di/dt）會(huì)產(chǎn)生比電源電壓高的多的漏極電壓過(guò)沖，導(dǎo)致器件損壞。應(yīng)采取穩(wěn)壓管箝位，RC箝位或RC抑制電路等保護(hù)措施。

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