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(ji)MOSFET，其(qi)原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属(shu)氧化(hua)物半导体(ti)(ti)），FET（Field Effect Transistor场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)晶体(ti)(ti)管），即(ji)以金属(shu)层(ceng)（M）的栅极隔着氧化(hua)层(ceng)（O）利用电场(chang)的效(xiao)(xiao)应(ying)来控制(zhi)半导体(ti)(ti)（S）的场(chang)效(xiao)(xiao)应(ying)晶体(ti)(ti)管。

功(gong)率放大(da)(da)电路是(shi)一种以输(shu)出较大(da)(da)功(gong)率为目的(de)(de)的(de)(de)放大(da)(da)电路。因此，要(yao)(yao)求同(tong)时输(shu)出较大(da)(da)的(de)(de)电压和(he)电流(liu)。管(guan)子工作(zuo)在(zai)接近极限状态(tai)。一般直(zhi)接驱动负(fu)载，带载能力要(yao)(yao)强。功(gong)率MOSFET是(shi)较常使用的(de)(de)一类(lei)功(gong)率器件。

功率MOS管的几大损坏模式
（一）雪崩破坏

如果(guo)在漏(lou)极(ji)-源极(ji)间外加超出器件额定VDSS的电涌电压，而且达(da)到击(ji)穿(chuan)电压V(BR)DSS （根据击(ji)穿(chuan)电流(liu)其值不同），并超出一(yi)定的能量(liang)后就发生破(po)坏的现象。

在介质负载的(de)开关运行(xing)断开时产(chan)生的(de)回扫电压，或(huo)者由(you)漏磁电感产(chan)生的(de)尖峰电压超出功率MOSFET的(de)漏极额定耐压并进入击穿(chuan)区而导致破(po)坏(huai)的(de)模式会引起雪(xue)崩破(po)坏(huai)。

典型电(dian)路：

（二）器件发热损坏

由超出安全区域(yu)引起发热(re)而导(dao)致的。发热(re)的原因分为直流功率(lv)和瞬态功率(lv)两(liang)种。

直(zhi)流功率原因：外加直(zhi)流功率而导致的损耗引起的发热

1、导(dao)通(tong)电阻RDS(on)损耗（高温时(shi)RDS(on)增(zeng)大，导(dao)致(zhi)一定电流下，功耗增(zeng)加）

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

3、负载短路

4、开关损(sun)耗（接(jie)通(tong)、断开） *（与温度和工作(zuo)频率是相关的）

5、内置二极管的(de)trr损(sun)耗(hao)（上下(xia)桥臂短路损(sun)耗(hao)）（与温度(du)和工作频率是相关的(de)）

器件正常运行时不发生的负载短路(lu)等引(yin)起的过电流，造(zao)成(cheng)瞬时局(ju)部发热(re)(re)而导致破(po)(po)坏。另(ling)外，由于(yu)热(re)(re)量(liang)不相配或开关频(pin)率太高使(shi)芯(xin)片不能正常散热(re)(re)时，持续的发热(re)(re)使(shi)温度(du)超出沟道温度(du)导致热(re)(re)击穿的破(po)(po)坏。

（三）内置二极管破坏

在DS端(duan)间(jian)构成(cheng)的(de)寄生二极管(guan)运行(xing)时(shi)(shi)，由(you)于在Flyback时(shi)(shi)功率MOSFET的(de)寄生双极晶(jing)体(ti)管(guan)运行(xing)，导致此二极管(guan)破坏的(de)模式。

（四）由寄生振荡导致的破坏

此破坏方式(shi)在并联时尤其容易发(fa)生(sheng)

在(zai)并联功率(lv)MOS FET时(shi)未插入栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)阻而直接连(lian)接时(shi)发生的栅(zha)极(ji)寄生振荡。高速反复接通、断开漏极(ji)-源极(ji)电(dian)(dian)压时(shi)，在(zai)由栅(zha)极(ji)-漏极(ji)电(dian)(dian)容Cgd(Crss)和栅(zha)极(ji)引脚电(dian)(dian)感Lg形(xing)成的谐(xie)振电(dian)(dian)路上发生此(ci)寄生振荡。

当谐振(zhen)条件(jian)(ωL=1/ωC)成立时，在(zai)栅(zha)(zha)极-源(yuan)极间外(wai)加远远大于(yu)驱(qu)动电(dian)压Vgs(in)的(de)振(zhen)动电(dian)压，由于(yu)超出栅(zha)(zha)极-源(yuan)极间额定(ding)电(dian)压导致(zhi)栅(zha)(zha)极破坏(huai)，或者(zhe)接(jie)通、断开漏极-源(yuan)极间电(dian)压时的(de)振(zhen)动电(dian)压通过栅(zha)(zha)极-漏极电(dian)容(rong)Cgd和Vgs波(bo)形重叠导致(zhi)正向反馈，因此(ci)可能会由于(yu)误动作引起振(zhen)荡破坏(huai)。

（五）栅极电涌、静电破坏

主要有因在栅(zha)极(ji)和源极(ji)之(zhi)间如果存在电(dian)(dian)压浪涌和静(jing)电(dian)(dian)而(er)引起的破坏，即栅(zha)极(ji)过电(dian)(dian)压破坏和由(you)上(shang)电(dian)(dian)状态中静(jing)电(dian)(dian)在GS两端（包括安装和和测(ce)定(ding)设备的带电(dian)(dian)）而(er)导致的栅(zha)极(ji)破坏。

MOS管功率损耗怎么测？

MOSFET/IGBT的(de)(de)开关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)测(ce)试(shi)是(shi)电源(yuan)调试(shi)中(zhong)非常关(guan)(guan)键(jian)的(de)(de)环(huan)节(jie)，但很(hen)多(duo)工程师对开关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)的(de)(de)测(ce)量(liang)还停留在人工计算(suan)的(de)(de)感性认知(zhi)上，PFC MOSFET的(de)(de)开关(guan)(guan)损(sun)耗(hao)更是(shi)只(zhi)能依据(ju)口(kou)口(kou)相(xiang)传的(de)(de)经(jing)验(yan)反(fan)复摸索，那(nei)么该如何量(liang)化评估呢？

功率损耗的原理图和实测图

一般来说，开关(guan)管(guan)工作的(de)(de)功率损(sun)(sun)(sun)耗(hao)原理图如图 1所示，主(zhu)要的(de)(de)能(neng)量损(sun)(sun)(sun)耗(hao)体现在(zai)“导通(tong)过(guo)程(cheng)”和(he)“关(guan)闭过(guo)程(cheng)”，小(xiao)部(bu)分(fen)能(neng)量体现在(zai)“导通(tong)状态”，而关(guan)闭状态的(de)(de)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)很小(xiao)几乎为(wei)0，可(ke)以忽略(lve)不(bu)计。

开关管工作的功率损耗原理图(tu)

实际的测量波(bo)形图一(yi)般如(ru)下(xia)图

开(kai)关(guan)管实际功率损(sun)耗(hao)测试

MOSFET和PFC MOSFET的测试区别

对(dui)于(yu)(yu)普通MOS管来说(shuo)，不(bu)(bu)同(tong)周(zhou)期的(de)(de)电压(ya)和(he)电流波(bo)形几乎完全相(xiang)同(tong)，因此(ci)整体功(gong)率(lv)损耗(hao)只(zhi)需要任意测(ce)(ce)量一个周(zhou)期即可。但对(dui)于(yu)(yu)PFC MOS管来说(shuo)，不(bu)(bu)同(tong)周(zhou)期的(de)(de)电压(ya)和(he)电流波(bo)形都(dou)不(bu)(bu)相(xiang)同(tong)，因此(ci)功(gong)率(lv)损耗(hao)的(de)(de)准确(que)评估依赖(lai)较长时间（一般大于(yu)(yu)10ms），较高采样(yang)率(lv)（推(tui)荐1G采样(yang)率(lv)）的(de)(de)波(bo)形捕(bu)获(huo)，此(ci)时需要的(de)(de)存(cun)储深度推(tui)荐在10M以上，并(bing)且要求所有(you)原始数(shu)据（不(bu)(bu)能抽样(yang)）都(dou)要参与功(gong)率(lv)损耗(hao)计(ji)算，实测(ce)(ce)截图(tu)如下图(tu)所示。

PFC MOSFET功(gong)率损耗实(shi)测(ce)图(tu)

开关损耗测(ce)试对于(yu)器(qi)件(jian)评(ping)估非常关键，通过示波器(qi)的(de)电源分析软件(jian)，可以(yi)快(kuai)速(su)有效的(de)对器(qi)件(jian)的(de)功(gong)率损耗进行评(ping)估。

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