功率MOS管總燒毀，看看是不是這些原因？
2023-12-19 9:54:42 點擊：
今天給大家講一下關于MOS管燒毀的原因，文字比較多點，不容易讀，希望大家可以認真看完。
MOS 管可能會遭受與其他功率器件相同的故障，例如過電壓（半導體的雪崩擊穿）、過電流（鍵合線或者襯底熔化）、過熱（半導體材料由于高溫而分解）。
更具體的故障包括柵極和管芯其余部分之前的極薄氧化物擊穿，這可能發生在相對于漏極或者源極的任何過量柵極電壓中，可能是在低至10V-15V 時發生，電路設計必須將其限制在安全水平。
還有可能是功率過載，超過絕對最大額定值和散熱不足，都會導致MOS管發生故障。
接下來就來看看所有可能導致失效的原因。
過電壓
MOS管對過壓的耐受性非常小，即使超出額定電壓僅幾納秒，也可能導致設備損壞。
MOS管的額定電壓應保守地考慮預期的電壓水平，并應特別注意抑制任何電壓尖峰或振鈴。
長時間電流過載
由于導通電阻相對較高，高平均電流會在MOS管中引起相當大的熱耗散。
如果電流非常高且散熱不良，則MOS管可能會因溫升過高而損壞。
MOS管可以直接并聯以共享高負載電流。
瞬態電流過載
持續時間短、大電流過載會導致MOS管器件逐漸損壞，但是在故障發生前MOS管的溫度幾乎沒有明顯升高，不太能察覺出來。（也可以看下面分析的直通和反向恢復部分）
擊穿（交叉傳導）
如果兩個相對MOS管的控制信號重疊，則可能會出現兩個MOS管同時導通的情況，這會使電源短路，也就是擊穿條件。
如果發生這種情況，每次發生開關轉換時，電源去耦電容都會通過兩個器件快速放電，這會導致通過兩個開關設備的電流脈沖非常短但非常強。
通過允許開關轉換之間的死區時間（在此期間兩個MOS管均不導通），可以最大限度地減少發生擊穿的機會，這允許一個MOS管在另一個MOS管打開之前關閉。
沒有續流電流路徑
當通過任何電感負載（例如特斯拉線圈）切換電流時，電流關閉時會產生反電動勢。在兩個開關設備都沒有承載負載電流時，必須為此電流提供續流路徑。
該電流通常通過與每個開關器件反并聯連接的續流二極管安全地引導回電源軌道。
當MOS管用作開關器件時，工程師可以簡單獲得MOS管固有體二極管形式的續流二極管，這解決了一個問題，但創造了一個全新的問題......
MOS管體二極管的緩慢反向恢復
諸如特斯拉線圈之類的高 Q 諧振電路能夠在其電感和自電容中存儲大量能量。
在某些調諧條件下，當一個MOS管關閉而另一個器件打開時，這會導致電流“續流”通過 MOS管的內部體二極管。
這個原本不是什么問題，但當對面的MOS管試圖開啟時，內部體二極管的緩慢關斷（或反向恢復）就會出現問題。
與MOS管 自身的性能相比，MOS管 體二極管通常具有較長的反向恢復時間。如果一個 MOS管的體二極管在對立器件開啟時導通，則類似于上述擊穿情況發生“短路”。
這個問題通常可以通過在每個MOS管周圍添加兩個二極管來緩解。
首先，肖特基二極管與MOS管源極串聯，肖特基二極管可防止MOS管體二極管被續流電流正向偏置。其次，高速（快速恢復）二極管并聯到MOS管/肖特基對，以便續流電流完全繞過MOS管和肖特基二極管。
這確保了MOS管體二極管永遠不會被驅動導通，續流電流由快恢復二極管處理，快恢復二極管較少出現“擊穿”問題。
過度的柵極驅動
如果用太高的電壓驅動MOS管柵極，則柵極氧化物絕緣層可能會被擊穿，從而導致MOS管無法使用。
超過 +/- 15 V的柵極-源極電壓可能會損壞柵極絕緣并導致故障，應注意確保柵極驅動信號沒有任何可能超過最大允許柵極電壓的窄電壓尖峰。
柵極驅動不足（不完全開啟）
MOS管只能切換大量功率，因為它們被設計為在開啟時消耗最少的功率。工程師應該確保MOS管硬開啟，以最大限度地減少傳導期間的耗散。
如果MOS管未完全開啟，則設備在傳導過程中將具有高電阻，并且會以熱量的形式消耗大量功率，10到15伏之間的柵極電壓可確保大多數MOS管完全開啟。
緩慢的開關轉換
在穩定的開啟和關閉狀態期間耗散的能量很少，但在過渡期間耗散了大量的能量。因此，應該盡可能快地在狀態之間切換以最小化切換期間的功耗。由于MOS管柵極呈現電容性，因此需要相當大的電流脈沖才能在幾十納秒內對柵極進行充電和放電，峰值柵極電流可以高達一個安培。
雜散振蕩
MOS管 能夠在極短的時間內切換大量電流，輸入也具有相對較高的阻抗，這會導致穩定性問題。在某些條件下，由于周圍電路中的雜散電感和電容，高壓MOS管會以非常高的頻率振蕩。（頻率通常在低 MHz），但這樣是非常不受歡迎的，因為它是由于線性操作而發生的，并且代表了高耗散條件。
這種情況可以通過最小化MOS管周圍的雜散電感和電容來防止雜散振蕩，還應使用低阻抗柵極驅動電路來防止雜散信號耦合到器件的柵極。
“米勒”效應
MOS管在其柵極和漏極端子之間具有相當大的“米勒電容”。在低壓或慢速開關應用中，這種柵漏電容很少引起關注，但是當高壓快速開關時，它可能會引起問題。
當底部器件的漏極電壓由于頂部MOS管的導通而迅速上升時，就會出現潛在問題。
這種高電壓上升率通過米勒電容電容耦合到MOS管的柵極，會導致底部MOS管的柵極電壓上升，從而導致MOS管也開啟，就會存在擊穿情況，即使不是立即發生，也可以肯定MOS管故障。
米勒效應可以通過使用低阻抗柵極驅動器來最小化，該驅動器在關閉狀態時將柵極電壓鉗位到 0 伏，這減少了從漏極耦合的任何尖峰的影響。在關斷狀態下向柵極施加負電壓可以獲得進一步的保護。例如，向柵極施加 -10 V電壓將需要超過12V的噪聲，以冒開啟本應關閉的MOS管的風險。
對控制器的輻射干擾
想象一下，將 1pF 的電容從你的火花特斯拉線圈的頂部連接到固態控制器中的每個敏感點的效果，存在的數百千伏射頻可以毫無問題地驅動大量電流通過微型電容器直接進入控制電路。
如果控制器沒有放置在屏蔽外殼中，這就是實際會發生的情況。
控制電路的高阻抗點幾乎不需要雜散電容即可導致異常操作，但運行不正常的控制器可能會嘗試同時打開兩個相反的MOS管 ，控制電子設備的有效射頻屏蔽至關重要。
分離電源和控制電路也是非常理想的，電源開關電路中存在的快速變化的電流和電壓仍然具有輻射顯著干擾的能力。
對控制器的傳導干擾
大電流的快速切換會導致電源軌上的電壓驟降和瞬態尖峰。如果電源和控制電子設備共用一個或多個電源軌，則可能會對控制電路產生干擾。
良好的去耦和中性點接地是應該用來減少傳導干擾影響的技術。作用于驅動MOS管的變壓器耦合在防止電噪聲傳導回控制器方面非常有效。
靜電損壞
安裝MOS管或IGBT器件時，應采取防靜電處理措施，以防止柵氧化層損壞。
高駐波比
這里要著重說一下，來自一位專業射頻工程師的解釋。
在脈沖系統中，VSWR不像在CW系統中那么大，但仍然是一個問題。
在CW系統中，典型的發射器設計用于50歐姆的電阻輸出阻抗。工程師通過某種傳輸線連接到負載，希望負載和線路也是50歐姆，并且電力沿電線很好地流動。
但如果負載阻抗不是50歐姆，那么一定量的功率會從阻抗不連續處反射回來。但反射功率會導致幾個潛在問題：
1、發射器看起來像一個負載并吸收了所有的功率，這不是一個好的現象。
例如，你的放大器效率為80%，你輸入的功率1KW，通常情況下，設備的功耗為200W，最終的功耗為800W，如果所有800W的功耗都被反射回來，忽然之間，這些設備就需要消耗全部的功耗。
2、前向波和反射波的組合會在傳輸線中產生駐波，在相距1/2波長的點處會變得非常高，從而導致擊穿或者其他不良情況，這本質上是表現負載阻抗不是預期的結果。
如果你有一個射頻電源在幾十兆赫茲，你可以裝配一個開放的平行線傳輸線，在脈沖系統中，你可能會遇到沿線路傳播的脈脈沖、阻抗不連續性、反射回以及與發送的下一個脈沖相加的問題。
反射脈沖是相同極性還是不同極性取決于距離和相對阻抗。
如果你有幾個不匹配，可能會得到很多來回移動的脈沖，這些脈沖會加強或者取消。這個對于商業配電來說是一個真正的大問題，因為沿線路的傳播時間是線路頻率周期的很大一部分，當斷路器打開和關閉以及雷擊時會引起問題。
以上就是關于MOS管燒毀的原因分析。
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