绝缘栅

功率MOS管烧毁,我们帮你总结出了这些原

发布时间:2023/12/14 11:18:43   
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MOS管可能会遭受与其他功率器件相同的故障,例如过电压(半导体的雪崩击穿)、过电流(键合线或者衬底熔化)、过热(半导体材料由于高温而分解)。更具体的故障包括栅极和管芯其余部分之前的极薄氧化物击穿,这可能发生在相对于漏极或者源极的任何过量栅极电压中,可能是在低至10V-15V时发生,电路设计必须将其限制在安全水平。还有可能是功率过载,超过绝对最大额定值和散热不足,都会导致MOS管发生故障。接下来就来看看所有可能导致失效的原因。过电压MOS管对过压的耐受性非常小,即使超出额定电压仅几纳秒,也可能导致设备损坏。MOS管的额定电压应保守地考虑预期的电压水平,并应特别注意抑制任何电压尖峰或振铃。

长时间电流过载

由于导通电阻相对较高,高平均电流会在MOS管中引起相当大的热耗散。如果电流非常高且散热不良,则MOS管可能会因温升过高而损坏。MOS管可以直接并联以共享高负载电流。

瞬态电流过载

持续时间短、大电流过载会导致MOS管器件逐渐损坏,但是在故障发生前MOS管的温度几乎没有明显升高,不太能察觉出来。(也可以看下面分析的直通和反向恢复部分)

击穿(交叉传导)

如果两个相对MOS管的控制信号重叠,则可能会出现两个MOS管同时导通的情况,这会使电源短路,也就是击穿条件。如果发生这种情况,每次发生开关转换时,电源去耦电容都会通过两个器件快速放电,这会导致通过两个开关设备的电流脉冲非常短但非常强。通过允许开关转换之间的死区时间(在此期间两个MOS管均不导通),可以最大限度地减少发生击穿的机会,这允许一个MOS管在另一个MOS管打开之前关闭。

没有续流电流路径

当通过任何电感负载(例如特斯拉线圈)切换电流时,电流关闭时会产生反电动势。在两个开关设备都没有承载负载电流时,必须为此电流提供续流路径。该电流通常通过与每个开关器件反并联连接的续流二极管安全地引导回电源轨道。当MOS管用作开关器件时,工程师可以简单获得MOS管固有体二极管形式的续流二极管,这解决了一个问题,但创造了一个全新的问题......图片来源于网络

MOS管体二极管的缓慢反向恢复

诸如特斯拉线圈之类的高Q谐振电路能够在其电感和自电容中存储大量能量。在某些调谐条件下,当一个MOS管关闭而另一个器件打开时,这会导致电流“续流”通过MOS管的内部体二极管。这个原本不是什么问题,但当对面的MOS管试图开启时,内部体二极管的缓慢关断(或反向恢复)就会出现问题。与MOS管自身的性能相比,MOS管体二极管通常具有较长的反向恢复时间。如果一个MOS管的体二极管在对立器件开启时导通,则类似于上述击穿情况发生“短路”。这个问题通常可以通过在每个MOS管周围添加两个二极管来缓解。首先,肖特基二极管与MOS管源极串联,肖特基二极管可防止MOS管体二极管被续流电流正向偏置。其次,高速(快速恢复)二极管并联到MOS管/肖特基对,以便续流电流完全绕过MOS管和肖特基二极管。这确保了MOS管体二极管永远不会被驱动导通,续流电流由快恢复二极管处理,快恢复二极管较少出现“击穿”问题。

过度的栅极驱动

如果用太高的电压驱动MOS管栅极,则栅极氧化物绝缘层可能会被击穿,从而导致MOS管无法使用。

超过+/-15V的栅极-源极电压可能会损坏栅极绝缘并导致故障,应注意确保栅极驱动信号没有任何可能超过最大允许栅极电压的窄电压尖峰。

栅极驱动不足(不完全开启)

MOS管只能切换大量功率,因为它们被设计为在开启时消耗最少的功率。工程师应该确保MOS管硬开启,以最大限度地减少传导期间的耗散。

如果MOS管未完全开启,则设备在传导过程中将具有高电阻,并且会以热量的形式消耗大量功率,10到15伏之间的栅极电压可确保大多数MOS管完全开启。

缓慢的开关转换

在稳定的开启和关闭状态期间耗散的能量很少,但在过渡期间耗散了大量的能量。因此,应该尽可能快地在状态之间切换以最小化切换期间的功耗。由于MOS管栅极呈现电容性,因此需要相当大的电流脉冲才能在几十纳秒内对栅极进行充电和放电,峰值栅极电流可以高达一个安培。图片来源于网络

杂散振荡

MOS管能够在极短的时间内切换大量电流,输入也具有相对较高的阻抗,这会导致稳定性问题。在某些条件下,由于周围电路中的杂散电感和电容,高压MOS管会以非常高的频率振荡。(频率通常在低MHz),但这样是非常不受欢迎的,因为它是由于线性操作而发生的,并且代表了高耗散条件。

这种情况可以通过最小化MOS管周围的杂散电感和电容来防止杂散振荡,还应使用低阻抗栅极驱动电路来防止杂散信号耦合到器件的栅极。

“米勒”效应

MOS管在其栅极和漏极端子之间具有相当大的“米勒电容”。在低压或慢速开关应用中,这种栅漏电容很少引起

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