MOS管即金屬氧化物半導(dǎo)體,即在集成電路中絕緣性場效應(yīng)管。
確切地說,這個名字描述了集成電路中MOS管的結(jié)構(gòu),即:在一定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上,加上二氧化硅和金屬,形成柵極。
MOS管的source和drain是可以對調(diào)的,都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能,這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。
MOS管工作原理
N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管:利用VGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少,以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況,然后達(dá)到控制漏極電流的目的。
在制造管子時,通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子,故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷,這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通,形成了導(dǎo)電溝道,即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。
當(dāng)柵極電壓改變時,溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變,導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
MOS管的分類
MOS管按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種,按導(dǎo)電方式又分耗盡型與增強(qiáng)型,所以MOS場效應(yīng)晶體管分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型,P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。
不過現(xiàn)實(shí)中,耗盡型的類型很少,而P溝道也比較少,最多的就是N溝道增強(qiáng)型。
大部分MOS管的外觀極其類似,常見的封裝種類有TO252 / TO220 / TO92 / TO3 / TO247等等,但具體的型號有成千上萬種,因此光從外觀是無法區(qū)分的。對于不熟悉型號,經(jīng)驗(yàn)又比較少的人來說,比較好的方法就是查器件的datasheet。
里面會詳細(xì)告訴你,它的類型和具體參數(shù),這些參數(shù)對于你設(shè)計(jì)電路極有用。我們區(qū)分類型,一般就是看型號,比如IRF530 / IRF540 / IRF3205 / IRPF250等這些都是很常見的N溝道增強(qiáng)型。
無論N型或者P型MOS管,其工作原理本質(zhì)是一樣的,是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。
MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會發(fā)生像三極管做開關(guān)時的因基極電流引起的電荷存儲效應(yīng),因此在開關(guān)應(yīng)用中,MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。
N型MOS管的特性:VGS大于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達(dá)到一定電壓(如4V或10V,其他電壓看手冊)就可以了。
P型MOS管的特性:VGS小于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然P型MOS管可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大、價格貴、替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中通常還是使用N型MOS管。
MOS管失效的6大原因
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MOS管的額定電壓,并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOS管失效。
2、柵極電壓失效:由于柵極遭受異常電壓尖峰,而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。
3、靜電失效:在秋冬季節(jié),由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。
4、諧振失效:在并聯(lián)使用的過程中,柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。
5、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。
6、SOA失效(電流失效):既超出MOS管安全工作區(qū)引起失效,分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大,損耗過高器件長時間熱積累而導(dǎo)致的失效。
雪崩失效(電壓失效)
到底什么是雪崩失效呢?簡單來說MOS管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MOS管漏源之間,導(dǎo)致的一種失效模式。
簡而言之就是MOS管漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。
雪崩破壞的預(yù)防措施:
合理降額使用。目前,行業(yè)內(nèi)降額一般選擇80%-95%的降額。具體情況根據(jù)公司保修條款和電路重點(diǎn)來選擇。
合理的變壓器反射電壓。
合理的RCD和TVS吸收電路設(shè)計(jì)。
大電流接線盡量采用大、小布置,以減小接線寄生電感。
選擇一個合理的門電阻Rg。
在大功率電源中,可以根據(jù)需要增加RC阻尼或齊納二極管吸收。
柵極電壓失效
造成柵極電壓異常高的主要原因有三:
生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過程中的靜電;
電力系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備和電路寄生參數(shù)引起的高壓諧振;
在高壓沖擊過程中,高壓通過Ggd傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(在雷擊試驗(yàn)中,這種原因引起的故障更常見)。
門極電壓失效的預(yù)防措施:
柵極和源極之間的過電壓保護(hù):如果柵極和源極之間的阻抗過高,漏極和源極之間電壓的突然變化將通過電極間電容耦合到柵極上,導(dǎo)致非常高的UGS電壓超調(diào),從而導(dǎo)致柵極超調(diào)。如果是正方向上的UGS瞬態(tài)電壓,設(shè)備也可能導(dǎo)通錯誤。為此,應(yīng)適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗,并在柵極和源極之間并聯(lián)一個阻尼電阻或一個穩(wěn)壓約20V的調(diào)壓器。必須特別注意防止開門操作。
排水管之間的過電壓保護(hù):如果電路中存在電感負(fù)載,當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時,漏極電流(di/dt)的突然變化將導(dǎo)致漏極電壓超調(diào),這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電源電壓,從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。應(yīng)采取齊納鉗、RC鉗或RC抑制電路等保護(hù)措施。
靜電分析
靜電的基本物理特性是:有吸引力或斥力;有電場,與地球有電位差;產(chǎn)生放電電流。這三種情況對電子元件有以下影響:
該元件吸收灰塵,改變線路之間的阻抗,影響元件的功能和壽命。
由于電場或電流的作用,元件的絕緣層和導(dǎo)體損壞,使元件不能工作(完全損壞)。
由于電場的瞬時軟擊穿或電流過熱,元件受到損壞。雖然它還能工作,但它的生命受到了損害。
靜電失效預(yù)防措施:
MOS電路輸入端的保護(hù)二極管在通電時的電流容限為1毫安。當(dāng)可能出現(xiàn)過大的瞬時輸入電流(大于10mA)時,輸入保護(hù)電阻應(yīng)串聯(lián)。
同時,由于保護(hù)電路吸收的瞬時能量有限,過大的瞬時信號和過高的靜電電壓會使保護(hù)電路失效。
因此,在焊接過程中,烙鐵必須可靠接地,以防止設(shè)備輸入端子泄漏。一般使用時,斷電后,可利用烙鐵的余熱進(jìn)行焊接,其接地腳應(yīng)先焊好。
諧振失效
當(dāng)功率MOS管并聯(lián)而不插入柵極電阻但直接連接時發(fā)生的柵極寄生振蕩。
當(dāng)漏源電壓在高速下反復(fù)接通和斷開時,這種寄生振蕩發(fā)生在由柵極漏極電容Cgd(Crss)和柵極pin電感Lg構(gòu)成的諧振電路中。
當(dāng)建立共振條件(ωL=1/ωC)時,在柵極和源極之間施加遠(yuǎn)大于驅(qū)動電壓Vgs(in)的振動電壓,柵極因超過柵極源額定電壓而損壞,漏源電壓開關(guān)時的振動電壓通過柵極漏極電容器Cgd和Vgs的重疊波形產(chǎn)生正反饋,可能引起故障引起振蕩破壞。
諧振失效預(yù)防措施:
阻力可以抑制由于阻尼引起的振蕩。然而,將一個小電阻串聯(lián)到柵極上并不能解決振蕩阻尼問題,主要原因是驅(qū)動電路的阻抗匹配和功率管開關(guān)時間的調(diào)整。
體二級管故障
在不同的拓?fù)浜碗娐分?,MOS管具有不同的作用。例如,在LLC中,體二極管的速度也是影響MOS管可靠性的一個重要因素。由于二極管本身是寄生參數(shù),因此很難區(qū)分漏源體二極管故障和漏源電壓故障。
二極管故障的解決方案主要是通過結(jié)合自身電路來分析。
SOA失效(電流失效)
半導(dǎo)體光放大器(SOA)失效是指在電源工作過程中,由于MOS管上同時疊加了異常大的電流和電壓而引起的損傷模式?;蛘?,芯片、散熱器和封裝不能及時達(dá)到熱平衡,導(dǎo)致熱量積聚,并且連續(xù)熱產(chǎn)生導(dǎo)致溫度超過由于熱擊穿模式而導(dǎo)致的氧化物層的極限。
SOA失效的預(yù)防措施:
確保在最壞的情況下,MOS管的所有功率限制都在SOA限制線之內(nèi);OCP功能必須精確、詳細(xì)。
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