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MOS管功率损耗如何测试-功率MOS管的几大损坏模式解析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-09-30 

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MOS管功率损耗如何测试-功率MOS管的几大损坏模式解析

功率MOS管简介

功率MOS管,即MOSFET,其原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。


功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此,要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载,带载能力要强。功率MOSFET是较常使用的一类功率器件。


功率MOS管的几大损坏模式
(一)雪崩破坏

如果在漏极-源极间外加超出器件额定VDSS的电涌电压,而且达到击穿电压V(BR)DSS (根据击穿电流其值不同),并超出一定的能量后就发生破坏的现象。


在介质负载的开关运行断开时产生的回扫电压,或者由漏磁电感产生的尖峰电压超出功率MOSFET的漏极额定耐压并进入击穿区而导致破坏的模式会引起雪崩破坏。


典型电路:


功率损耗,MOS管


(二)器件发热损坏

由超出安全区域引起发热而导致的。发热的原因分为直流功率和瞬态功率两种。


直流功率原因:外加直流功率而导致的损耗引起的发热


1、导通电阻RDS(on)损耗(高温时RDS(on)增大,导致一定电流下,功耗增加)


2、由漏电流IDSS引起的损耗(和其他损耗相比极小)。瞬态功率原因:外加单触发脉冲


3、负载短路


4、开关损耗(接通、断开) *(与温度和工作频率是相关的)


5、内置二极管的trr损耗(上下桥臂短路损耗)(与温度和工作频率是相关的)


器件正常运行时不发生的负载短路等引起的过电流,造成瞬时局部发热而导致破坏。另外,由于热量不相配或开关频率太高使芯片不能正常散热时,持续的发热使温度超出沟道温度导致热击穿的破坏。


功率损耗,MOS管


(三)内置二极管破坏

在DS端间构成的寄生二极管运行时,由于在Flyback时功率MOSFET的寄生双极晶体管运行,导致此二极管破坏的模式。


功率损耗,MOS管


(四)由寄生振荡导致的破坏

此破坏方式在并联时尤其容易发生


在并联功率MOS FET时未插入栅极电阻而直接连接时发生的栅极寄生振荡。高速反复接通、断开漏极-源极电压时,在由栅极-漏极电容Cgd(Crss)和栅极引脚电感Lg形成的谐振电路上发生此寄生振荡。


当谐振条件(ωL=1/ωC)成立时,在栅极-源极间外加远远大于驱动电压Vgs(in)的振动电压,由于超出栅极-源极间额定电压导致栅极破坏,或者接通、断开漏极-源极间电压时的振动电压通过栅极-漏极电容Cgd和Vgs波形重叠导致正向反馈,因此可能会由于误动作引起振荡破坏。


功率损耗,MOS管


(五)栅极电涌、静电破坏

主要有因在栅极和源极之间如果存在电压浪涌和静电而引起的破坏,即栅极过电压破坏和由上电状态中静电在GS两端(包括安装和和测定设备的带电)而导致的栅极破坏。


功率损耗,MOS管


MOS管功率损耗怎么测?

MOSFET/IGBT的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节,但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上,PFC MOSFET的开关损耗更是只能依据口口相传的经验反复摸索,那么该如何量化评估呢?


功率损耗的原理图和实测图

一般来说,开关管工作的功率损耗原理图如图 1所示,主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”,小部分能量体现在“导通状态”,而关闭状态的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。


功率损耗,MOS管

开关管工作的功率损耗原理图


实际的测量波形图一般如下图


功率损耗,MOS管

开关管实际功率损耗测试


MOSFET和PFC MOSFET的测试区别

对于普通MOS管来说,不同周期的电压和电流波形几乎完全相同,因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于PFC MOS管来说,不同周期的电压和电流波形都不相同,因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于10ms),较高采样率(推荐1G采样率)的波形捕获,此时需要的存储深度推荐在10M以上,并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算,实测截图如下图所示。


功率损耗,MOS管

PFC MOSFET功率损耗实测图


开关损耗测试对于器件评估非常关键,通过示波器的电源分析软件,可以快速有效的对器件的功率损耗进行评估。


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