Mos管(場效電晶體)失效分析知識點詳解

MOS管做為電壓驅動大電流型器件，在電路尤其是動力系統中大量應用，MOS管有一些特性在實際應用中是我們應該特別注意的。

MOS管體二極體，又稱寄生二極體，在單個MOS管器件中有，在積體電路光刻中沒有，這個二極體在大電流驅動中和感性負載時可以起到反向保護和續流的作用，一般正向導通壓降在0。7~1V左右，因為這個二極體的存在，MOS器件在電路中不能簡單地看到一個開關的作用，比如充電電路中，充電完成，移除電源後，電池會反向向外部供電，這個通常是我們不願意看到的結果，一般解決的方法是在後面增加一個二極體來防止反向供電，這樣雖然可以做到，但是二極體的特性決定必須有0。6~1V的正向壓降，在大電流的情況下發熱嚴重，同時造成能源的浪費，使整機能效低下。還有一個方法是再增加一個背靠背的MOS管，利用MOS管低導通電阻來達到節能的目的，這一特性另一個常見的應用為低壓同步整流。

MOS失效原因：

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，並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)

，即超出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、體二極體失效

：在橋式、LLC等有用到體二極體進行續流的拓撲結構中，由於體二極體遭受破壞而導致的失效。

4、諧振失效

：在並聯使用的過程中，柵極及電路寄生引數導致震盪引起的失效。

5、靜電失效

：在秋冬季節，由於人體及裝置靜電而導致的器件失效。

6、柵極電壓失效

：由於柵極遭受異常電壓尖峰，而導致柵極柵氧層失效。

具體分析如下：

1）雪崩失效分析(電壓失效)

到底什麼是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由於母線電壓、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。簡而言之就是由於就是MOSFET漏源極的電壓超過其規定電壓值並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，作為電源工程師可以簡單瞭解下。

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，那麼到底我們怎麼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：大電流佈線儘量採用粗、短的佈局結構，儘量減少佈線寄生電感。

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減震或齊納二極體進行吸收。

2）SOA失效(電流失效)

再簡單說下第二點，SOA失效

SOA失效是指電源在執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。或者是晶片與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。

關於SOA各個線的引數限定值可以參考下面圖片

1：受限於最大額定電流及脈衝電流

2：受限於最大節溫下的RDSON。

3：受限於器件最大的耗散功率。

4：受限於最大單個脈衝電流。

5：擊穿電壓BVDSS限制區

我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處於上面限制區的範圍內，就能有效的規避由於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緻。

在進行OCP點設計時，一般可能會取1。1-1。5倍電流餘量的工程師居多，然後就根據IC的保護電壓比如0。7V開始除錯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引數，那就是MOSFET的Td（off）。

它到底有什麼影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖。

從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時，有個下跌，這個下跌點後又有一段的上升時間，這段時間其本質就是IC在檢測到過流訊號執行關斷後，MOSFET本身也開始執行關斷，但是由於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，那麼在變壓器餘量設計不足時，就極有可能產生磁飽和的一個電流衝擊或者電流超器件規格的一個失效。

3：合理的熱設計餘量，這個就不多說了，各個企業都有自己的降額規範，嚴格執行就可以了，不行就加散熱器。

3）體二極體失效

在不同的拓撲、電路中，MOSFET有不同的角色，比如在LLC中，體內二極體的速度也是MOSFET可靠性的重要因素。漏源間的體二極體失效和漏源電壓失效很難區分，因為二極體本身屬於寄生引數。雖然失效後難以區分軀體緣由，但是預防電壓及二極體失效的解決辦法存在較大差異，主要結合自己電路來分析。

體二極體失效預防措施

其實有那個體二極體，在大部分時候都不礙事，而且有時候還有好處，比如用在H橋上，省得並二極體了。當然也有礙事的時候，那就用兩個MOS管頭頂頭或者尾對尾串聯起來就可以了。

那個二極體是工藝決定的，也不必太在意，接受它的存在就好了。還有，多說兩句，其實MOS管的D和S本質上是對稱的結構，只是溝道的兩個接點。但是由於溝道的開啟和關閉涉及到柵極和襯底之間的電場，那麼就需要給襯底一個確定的電位。又因為MOS管只有3個管腳，所以需要把襯底接到另外兩個管腳之一。那麼接了襯底的管腳就是S了，沒接襯底的管腳就是D，我們應用時，S的電位往往是穩定的。在積體電路中，比如CMOS中或者還有模擬開關中，由於晶片本身有電源管腳，所以那些MOS管的襯底並不和管腳接在一起，而是直接接到電源的VCC或者VEE，這時候D和S就沒有任何區別了。

4）諧振失效

在並聯功率MOS FET時未插入柵極電阻而直接連線時發生的柵極寄生振盪。高速反覆接通、斷開漏極-源極電壓時，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生此寄生振盪。當諧振條件（ωL=1/ωC）成立時，在柵極-源極間外加遠遠大於驅動電壓Vgs（in）的振動電壓，由於超出柵極-源極間額定電壓導致柵極破壞，或者接通、斷開漏極-源極間電壓時的振動電壓透過柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形重疊導致正向反饋，因此可能會由於誤動作引起振盪破壞。

諧振失效預防措施

電阻可以抑制振盪， 是因為阻尼的作用。但柵極串接一個小電阻， 並非解決振盪阻尼問題。 主要還是驅動電路阻抗匹配的原因， 和調節功率管開關時間的原因。

5）靜電失效

靜電的基本物理特徵為：有吸引或排斥的力量；有電場存在，與大地有電位差；會產生放電電流。這三種情形會對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。因電場或電流破壞元件絕緣層和導體，使元件不能工作（完全破壞）。

3。因瞬間的電場軟擊穿或電流產生過熱，使元件受傷，雖然仍能工作，但是壽命受損。

靜電失效的預防措施

MOS電路輸入端的保護二極體，其導通時電流容限一般為1mA 在可能出現過大瞬態輸入電流（超過10mA）時，應串接輸入保護電阻。而在初期設計時沒有加入保護電阻，所以這也是MOS管可能擊穿的原因，而透過更換一個內部有保護電阻的MOS管應可防止此種失效的發生。還有由於保護電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間訊號和過高的靜電電壓將使保護電路失去作用。所以焊接時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，可斷電後利用電烙鐵的餘熱進行焊接，並先焊其接地管腳。

6）柵極電壓失效

柵極的異常高壓來源主要有以下3種原因：

1：在生產、運輸、裝配過程中的靜電。

2：由器件及電路寄生引數在電源系統工作時產生的高壓諧振。

3：在高壓衝擊時，高電壓透過Ggd傳輸到柵極（在雷擊測試時，這種原因導致的失效較為常見）。

至於PCB汙染等級、電氣間隙及其它高壓擊穿IC後進入柵極等現象就不做過多解釋。

柵極電壓失效的預防措施

柵源間的過電壓保護：如果柵源間的阻抗過高，則漏源間電壓的突變會透過極間電容耦合到柵極而產生相當高的UGS電壓過沖，這一電壓會引起柵極氧化層永久性損壞，如果是正方向的UGS瞬態電壓還會導致器件的誤導通。為此要適當降低柵極驅動電路的阻抗，在柵源之間並接阻尼電阻或並接穩壓值約20V的穩壓管。特別要注意防止柵極開路工作。其次是漏極間的過電壓防護。如果電路中有電感性負載，則當器件關斷時，漏極電流的突變（di/dt）會產生比電源電壓高的多的漏極電壓過沖，導致器件損壞。應採取穩壓管箝位，RC箝位或RC抑制電路等保護措施。

補充下，MOSFET損壞主要有使用/品質工藝兩方面原因。 使用方面：

1）靜電損壞，初期可能還像好管子一樣開關，經過一段時間後會失效炸機，GDS全短路。

2）空間等離子損傷，輕者和靜電損壞一樣，重者直接GDS短路。大家要注意啊！放MOSFET或IGBT/COMS器件的地方千萬別用負離子發生器或有此功能的空調！

3）漏電損傷，多數情況下GDS全短路，個別會DS或GD斷路。

4）過驅動，驅動電壓超過18V後，經過一段時間使用會GDS全斷。

5）使用負壓關閉，柵加負壓後，MOSFET抗噪能力加強，但DS耐壓能力下降，不適當的負壓，會導致DS耐壓不夠而被擊穿損壞而GDS短路。

6）柵寄生感應負壓損壞，和不適當的負壓驅動一樣，只是該負壓不是人為加上的，是由於線路寄生LC感應，在刪上感應生成負脈衝。