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：

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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

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。

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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