MOS管功率損耗如何測試-功率MOS管的幾大損壞模式解析

功率MOS管簡介

功率MOS管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。一般直接驅動負載，帶載能力要強。功率MOSFET是較常使用的一類功率器件。

功率MOS管的幾大損壞模式
（一）雪崩破壞

如果在漏極-源極間外加超出器件額定VDSS的電涌電壓，而且達到擊穿電壓V(BR)DSS （根據擊穿電流其值不同），并超出一定的能量后就發(fā)生破壞的現象。

在介質負載的開關運行斷開時產生的回掃電壓，或者由漏磁電感產生的尖峰電壓超出功率MOSFET的漏極額定耐壓并進入擊穿區(qū)而導致破壞的模式會引起雪崩破壞。

典型電路：

（二）器件發(fā)熱損壞

由超出安全區(qū)域引起發(fā)熱而導致的。發(fā)熱的原因分為直流功率和瞬態(tài)功率兩種。

直流功率原因：外加直流功率而導致的損耗引起的發(fā)熱

1、導通電阻RDS(on)損耗（高溫時RDS(on)增大，導致一定電流下，功耗增加）

2、由漏電流IDSS引起的損耗（和其他損耗相比極?。Ｋ矐B(tài)功率原因：外加單觸發(fā)脈沖

3、負載短路

4、開關損耗（接通、斷開） *（與溫度和工作頻率是相關的）

5、內置二極管的trr損耗（上下橋臂短路損耗）（與溫度和工作頻率是相關的）

器件正常運行時不發(fā)生的負載短路等引起的過電流，造成瞬時局部發(fā)熱而導致破壞。另外，由于熱量不相配或開關頻率太高使芯片不能正常散熱時，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超出溝道溫度導致熱擊穿的破壞。

（三）內置二極管破壞

在DS端間構成的寄生二極管運行時，由于在Flyback時功率MOSFET的寄生雙極晶體管運行，導致此二極管破壞的模式。

（四）由寄生振蕩導致的破壞

此破壞方式在并聯時尤其容易發(fā)生

在并聯功率MOS FET時未插入柵極電阻而直接連接時發(fā)生的柵極寄生振蕩。高速反復接通、斷開漏極-源極電壓時，在由柵極-漏極電容Cgd(Crss)和柵極引腳電感Lg形成的諧振電路上發(fā)生此寄生振蕩。

當諧振條件(ωL=1/ωC)成立時，在柵極-源極間外加遠遠大于驅動電壓Vgs(in)的振動電壓，由于超出柵極-源極間額定電壓導致柵極破壞，或者接通、斷開漏極-源極間電壓時的振動電壓通過柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形重疊導致正向反饋，因此可能會由于誤動作引起振蕩破壞。

（五）柵極電涌、靜電破壞

主要有因在柵極和源極之間如果存在電壓浪涌和靜電而引起的破壞，即柵極過電壓破壞和由上電狀態(tài)中靜電在GS兩端（包括安裝和和測定設備的帶電）而導致的柵極破壞。

MOS管功率損耗怎么測？

MOSFET/IGBT的開關損耗測試是電源調試中非常關鍵的環(huán)節(jié)，但很多工程師對開關損耗的測量還停留在人工計算的感性認知上，PFC MOSFET的開關損耗更是只能依據口口相傳的經驗反復摸索，那么該如何量化評估呢？

功率損耗的原理圖和實測圖

一般來說，開關管工作的功率損耗原理圖如圖 1所示，主要的能量損耗體現在“導通過程”和“關閉過程”，小部分能量體現在“導通狀態(tài)”，而關閉狀態(tài)的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。

開關管工作的功率損耗原理圖

實際的測量波形圖一般如下圖

開關管實際功率損耗測試

MOSFET和PFC MOSFET的測試區(qū)別

對于普通MOS管來說，不同周期的電壓和電流波形幾乎完全相同，因此整體功率損耗只需要任意測量一個周期即可。但對于PFC MOS管來說，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準確評估依賴較長時間（一般大于10ms），較高采樣率（推薦1G采樣率）的波形捕獲，此時需要的存儲深度推薦在10M以上，并且要求所有原始數據（不能抽樣）都要參與功率損耗計算，實測截圖如下圖所示。

PFC MOSFET功率損耗實測圖

開關損耗測試對于器件評估非常關鍵，通過示波器的電源分析軟件，可以快速有效的對器件的功率損耗進行評估。

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