深入剖析MOS管雪崩、SOA失效及发热

本文对MOS失效原因总结以下六点，然后对1，2重点进行分析：

1、雪崩失效（电压失效），也就是漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压，并且超过达到了一定的能力从而导致MOSFET失效。

2、SOA失效（电流失效），既超出MOSFET安全工作区引起失效，分为Id超出器件规格失效以及Id过大，损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。

3、体二极管失效：在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中，由于体二极管遭受破坏而导致的失效。

4、谐振失效：在并联使用的过程中，栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。

5、静电失效：在秋冬季节，由于人体及设备静电而导致的器件失效。

6、栅极电压失效：由于栅极遭受异常电压尖峰，而导致栅极栅氧层失效。

MOS管失效分析-雪崩失效、SOA失效

（一）雪崩失效分析（电压失效）

什么是雪崩失效呢，简单来说MOSFET在电源板上由于母线电压、变压器反射电压、漏感尖峰电压等等系统电压叠加在MOSFET漏源之间，导致的一种失效模式。

简而言之就是由于就是MOSFET漏源极的电压超过其规定电压值并达到一定的能量限度而导致的一种常见的失效模式。

下面的图片为雪崩测试的等效原理图，可以简单了解下。

可能我们经常要求器件生产厂家对电源板上的MOSFET进行失效分析，大多数厂家都仅仅给一个EAS.EOS之类的结论，那么到底怎么区分是否是雪崩失效呢，下面是一张经过雪崩测试失效的器件图，进行对比从而确定是否是雪崩失效。

雪崩失效预防措施

雪崩失效归根结底是电压失效，因此预防我们着重从电压来考虑。具体可以参考以下的方式来处理。

1、合理降额使用，目前行业内的降额一般选取80%-95%的降额，具体情况根据企业的保修条款及电路关注点进行选取。

2、合理的变压器反射电压。

3、合理的RCD及TVS吸收电路设计。

4、大电流布线尽量采用粗、短的布局结构，尽量减少布线寄生电感。

5、选择合理的栅极电阻Rg。

6、在大功率电源中，可以根据需要适当的加入RC减震或齐纳二极管进行吸收。

（二）SOA失效（电流失效）

SOA失效是指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在MOSFET上面，造成瞬时局部发热而导致的破坏模式。或者是芯片与散热器及封装不能及时达到热平衡导致热积累，持续的发热使温度超过氧化层限制而导致的热击穿模式。

1.受限于最大额定电流及脉冲电流

2.受限于最大节温下的RDSON。

3.受限于器件最大的耗散功率。

4.受限于最大单个脉冲电流。

5.击穿电压BVDSS限制区。

电源上的MOSFET，只要保证能器件处于上面限制区的范围内，就能有效的规避由于MOSFET而导致的电源失效问题的产生。

SOA失效的预防措施

1、确保在最差条件下，MOSFET的所有功率限制条件均在SOA限制线以内。

2、将OCP功能一定要做精确细致。

在进行OCP点设计时，一般可能会取1.1-1.5倍电流余量的工程师居多，然后就根据IC的保护电压比如0.7V开始调试RSENSE电阻。

有些人会将检测延迟时间、CISS对OCP实际的影响考虑在内。但是此时有个更值得关注的参数，那就是MOSFET的Td（off）。

从图中可以看出，电流波形在快到电流尖峰时，有个下跌，这个下跌点后又有一段的上升时间，这段时间其本质就是IC在检测到过流信号执行关断后，MOSFET本身也开始执行关断，

但是由于器件本身的关断延迟，因此电流会有个二次上升平台，如果二次上升平台过大，那么在变压器余量设计不足时，就极有可能产生磁饱和的一个电流冲击或者电流超器件规格的一个失效。

3、合理的热设计余量，不行就加散热器。

MOS管发热分析

1.电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。

没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

2.频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。

3.没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。

4.MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。

如何解决MOS管发热问题？

为了解决MOS管发热问题，要准确判断是否是这些原因造成，最重要的是进行正确的测试，才能发现问题所在。通过这次解决这个MOS发热问题，发现正确选择关键点的测试，是否和分析的一致，才是解决问题之关键。

在进行开关电源测试中，除了用三用表测量控制电路其他器件的引脚电压，比较重要的是用示波器测量相关的电压波形。当判断开关电源是否工作正常，测试什么地方才能反映出电源的工作状态，变压器原边和次级以及输出反馈是否合理，开关MOS管是否工作正常，PWM控制器输出端是否正常，包括脉冲的幅度和占空比是否正常，等等。

测试点的合理选择非常重要，正确选择既安全可靠测量，又能反映故障的原因所在，迅速查找出原因。

根据开关电源所了解的，一般引起MOS管发热的原因是：

1、驱动频率过高。

2、G极驱动电压不够。

3、通过漏极和源极的Id电流太高。

因此测试重点放在MOS管上，准确测试它的工作状况，才是问题的根本。

Q1为功率开关MOS管，A点为漏极，B点为源极，R为电流取样电阻，C点为接地端。把双踪示波器的两个探头分别接到A和B点，两个探头接地端同时卡住电阻R的接地端C处。

MOS管漏极测试A点波形

而从B点的波形可以看出，MOS管的源极电压波形，这个波形是取样电阻R上的电压波形，能够反映出漏极电流极其导通和截止时间等信息，如下图分析：

可以看出，每个周期中，开关MOS管导通时，漏极电流从起始到峰值电流的过程。

取样电阻R的B测试点电压波形

A和B点，这就是两个关键的测试点，基本上反映了开关电源的工作状态和故障所在，导通的时候的尖峰电压和尖峰电流非常大，如果能够将导通的尖峰电压和尖峰电流消除，那么损耗能降一大半，MOS发热的问题就能解决。当然也是发现MOS管工作正常与否的最直接反映。

通过测试结果分析后，改变栅极驱动电阻阻值，选择合适的频率，给MOS管完全导通创造条件，MOS工作后有效的降低了尖峰电压，又选择了内阻更小的MOS管，使在开关过程中管子本身的压降降低。同时合理选择的散热器。

经过这样处理后，重新实验，让整个电源正常工作后，加大负载到满负荷工作，MOS管发热始终没有超过50°，应该是比较理想。

在用示波器测试过程中，要特别注意这两个测试点的波形，在逐步升高输入电压的时候，如果发现峰值电压或者峰值电流超过设计范围，并注意MOS管发热情况，如果异常，应该立刻关闭电源，查找原因所在，防止MOS管损坏。

编辑：jq