1、MOS器件的基本知識(shí)

MOS是MOSFET的縮寫，全稱金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。MOS管可分為增強(qiáng)型和耗盡型，增強(qiáng)型MOS是指：當(dāng)VGS=0時(shí)，管子呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS電壓后，載流子被吸引到G極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子數(shù)量，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型MOS是指在制造過(guò)程中，預(yù)先往絕緣層中摻入大量的正離子，當(dāng)VGS=0時(shí)，正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)能在襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型MOS通常使用正、零電壓控制，耗盡型MOS可被正、零、負(fù)三種電壓控制。目前在常規(guī)的導(dǎo)通開關(guān)、大功率電路應(yīng)用場(chǎng)景中，均以增強(qiáng)型MOS為主；而有些放大電路、高頻電路則會(huì)選擇耗盡型MOS。本文主要以增強(qiáng)型MOS為例，向大家介紹該器件的特性及其使用案例。

1.1 增強(qiáng)型NMOS

當(dāng)VGS大于VGS(th)，DS極就會(huì)導(dǎo)通，適合用于S極接地的情況（低端驅(qū)動(dòng)）。VGS(th)一般為4V、10V等，由制造工藝決定，具體可參照器件的規(guī)格手冊(cè)。

1.2 增強(qiáng)型PMOS

當(dāng)VGS小于一定的電壓值，DS極就會(huì)導(dǎo)通，適合用于S極接正電源的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于其導(dǎo)通電阻大、價(jià)格貴、替換種類少等原因，在大部分應(yīng)用中通常還是使用NMOS。

圖1

2、MOS器件的參數(shù)說(shuō)明

2.1 VDS

對(duì)MOS管進(jìn)行選型時(shí)，必須確定D極至S極在使用期間可能承受的最大電壓，為防止MOS管失效，其額定電壓VDS應(yīng)當(dāng)大于實(shí)際使用電壓的最大值。當(dāng)然額定電壓越大，器件的成本也就越高。

2.2 VGS

指G極和S極之間的耐壓值，對(duì)于同一個(gè)管子，VGS一般小于VDS。在實(shí)際使用中，GS極之間通常會(huì)并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管。

2.3 VGS(th)

MOS開始導(dǎo)通的輸入電壓值，也稱為開啟電壓。以NMOS為例，當(dāng)0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，G極和襯底之間就會(huì)形成電場(chǎng)，將靠近G端的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)一層薄薄的負(fù)離子耗盡層，同時(shí)吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，D極和S極還不能完全導(dǎo)通。當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)，由于此時(shí)的G極電壓比較強(qiáng)，在靠近G極下方聚集了較多的電子，形成溝道，D極和S極也就導(dǎo)通了。

2.4 ID

場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏極和源極之間所允許通過(guò)的最大電流稱為ID。超出這個(gè)電流，將對(duì)MOS產(chǎn)生不可恢復(fù)的物理性損壞。

2.5 RDS(on)

在特定的VGS、結(jié)溫及ID電流的條件下，MOS導(dǎo)通時(shí)D、S極間的最大阻抗稱為RDS(on)。它是一個(gè)非常重要的參數(shù)，決定了MOS導(dǎo)通時(shí)的消耗功率以及發(fā)熱程度。若選型錯(cuò)誤，有概率導(dǎo)致MOS在極限工作的情況下失效。此參數(shù)一般會(huì)隨VGS的增大而減小、隨結(jié)溫的上升而增大。

圖2

2.6 結(jié)溫

結(jié)溫是MOS器件內(nèi)部的實(shí)際工作溫度，它通常較封裝外殼溫度更高，兩者的溫差等于其間的熱阻RθJC（單位是℃/W）乘上功率，功率又和上述RDS(on)、ID息息相關(guān)。計(jì)算時(shí)，我們一般認(rèn)為外殼的散熱較好，約等于室溫，即MOS內(nèi)部溫度≈RθJC*功率+室溫。結(jié)溫的上限通常為150~175℃，具體可參照器件的手冊(cè)。

2.7 熱阻RθJC

MOS的參數(shù)RθJC和制造工藝相關(guān)，單位是℃/W，在計(jì)算結(jié)溫時(shí)，RθJC需要乘上一個(gè)系數(shù)。當(dāng)電流持續(xù)不斷時(shí)，系數(shù)等于1；當(dāng)電流是脈沖性時(shí)，系數(shù)小于1，具體可根據(jù)下圖進(jìn)行查看，不同MOS的曲線圖都會(huì)有所差異。

圖3

2.8 SOA

SOA（Safe Operation Area）安全工作區(qū)是由一系列（電壓，電流）坐標(biāo)點(diǎn)形成的二維區(qū)域，MOS開關(guān)器件正常工作時(shí)的電壓和電流都不會(huì)超過(guò)該區(qū)域。簡(jiǎn)單的講，只要MOS器件工作在SOA區(qū)域內(nèi)就是安全的，超過(guò)這個(gè)區(qū)域就存在危險(xiǎn)。功率MOS管的安全工作區(qū)包含了4個(gè)參數(shù)：最大單次脈沖電流IDmax，最大耐壓VDSmax，最大允許功耗Pmax和極限時(shí)間t。

圖4

3、MOS燒管的案例1分享

3.1 問題描述：

某塊電池保護(hù)板，在進(jìn)行大電流放電、直至電芯電壓低于過(guò)放電壓的實(shí)驗(yàn)操作后，理論上保護(hù)板會(huì)對(duì)MOS進(jìn)行關(guān)管的操作，防止電芯產(chǎn)生不可逆的損壞，但實(shí)際的測(cè)試結(jié)果是：MOS依舊導(dǎo)通。引起該問題的原因可能有兩種：一是軟件策略有BUG，沒有進(jìn)行關(guān)管的動(dòng)作；二是MOS管損壞并呈現(xiàn)短路的狀態(tài)，導(dǎo)致軟件無(wú)法關(guān)管。

3.2 原因分析：

拆開電池包，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)放電MOS發(fā)燙（放電MOS一共并聯(lián)了4個(gè)），下方絕緣墊片被燙變形，基本可以判定是MOS損壞引起的問題。為了進(jìn)一步確認(rèn)，從板子上拆下這1個(gè)MOS器件，使用萬(wàn)用表測(cè)量，D、S極的確已經(jīng)短路，其他并聯(lián)的MOS沒有異常，因此只有1個(gè)MOS出現(xiàn)了失效。

3.3 場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)：

將損壞的1個(gè)MOS拆下后，然后換上新的MOS（新MOS的物料批次和原本的MOS不同，這個(gè)可以從絲印上看出），裝好電芯，重新大電流放電至過(guò)放狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)還是這個(gè)位置的MOS損壞。

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，問題穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，并且不管怎么變換位置，損壞的永遠(yuǎn)都是新?lián)Q的那1個(gè)MOS。

再將4個(gè)放電MOS都更換成同一個(gè)批次，裝好電芯，重復(fù)操作，問題不再出現(xiàn)。

3.4 理論分析

根據(jù)上述復(fù)現(xiàn)場(chǎng)景，問題基本可以被定義為MOS的本身的參數(shù)不同。可能是當(dāng)開管信號(hào)到來(lái)時(shí)，其中1個(gè)個(gè)MOS最先導(dǎo)通、其他3個(gè)慢導(dǎo)通，或者說(shuō)其中1個(gè)MOS內(nèi)阻很小、其他3個(gè)內(nèi)阻較大，外部瞬間大電流都由1個(gè)MOS扛，扛不住就損壞了。

但是！在使用示波器測(cè)試GS壓差時(shí)，發(fā)現(xiàn)每次正式開管之前都會(huì)有一個(gè)毛刺，如下圖所示（此時(shí)用的是4個(gè)同批次的MOS，因此下圖并未出現(xiàn)燒管問題，注：黃色是GS壓差，藍(lán)色是DS壓差，紫紅色是電流）：

圖5

可以看到在圖片綠圈圈出來(lái)的地方，GS壓差大概5V不到一點(diǎn)（該MOS正常導(dǎo)通的條件是VGS>10V），說(shuō)明放電MOS處于半導(dǎo)通狀態(tài)。在這種異常的場(chǎng)景下，半導(dǎo)通內(nèi)阻很大、并且外部又是大電流狀態(tài)的話，MOS非常容易被擊穿損壞。

針對(duì)上述現(xiàn)象，將MOS換回原來(lái)極易復(fù)現(xiàn)問題的3個(gè)，再加1個(gè)新MOS，同時(shí)使用上位機(jī)監(jiān)控放電MOS的輸出電壓：發(fā)現(xiàn)在毛刺產(chǎn)生之后，MOS馬上導(dǎo)通，但這又在軟件開管之前。說(shuō)明在毛刺到來(lái)之后、軟件開管信號(hào)到來(lái)之前的這段時(shí)間里，MOS就已經(jīng)損壞了。

圖6

3.5 解決對(duì)策：

進(jìn)一步查找毛刺產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)是MOS的G極控制不穩(wěn)定，在軟件進(jìn)行開管之前，硬件會(huì)有一個(gè)引腳接GND的校驗(yàn)過(guò)程，就是這個(gè)過(guò)程干擾了G極的電平，產(chǎn)生了半導(dǎo)通的狀態(tài)，而此時(shí)外部又是大電流放電狀態(tài)，最終導(dǎo)致了MOS的燒毀。

通過(guò)這個(gè)案例，我們知道了幾個(gè)要點(diǎn)：一是并聯(lián)的多對(duì)MOS必須是同一批次的，否則參數(shù)的不一致會(huì)導(dǎo)致某個(gè)MOS極易出現(xiàn)損壞；二是VGS電壓如果不滿足完全導(dǎo)通的條件，又強(qiáng)行進(jìn)行大電流放電的話，MOS也會(huì)因?yàn)閮?nèi)阻太大過(guò)熱而損壞。

4、MOS燒管的案例2分享

4.1 問題描述：

某塊電池保護(hù)板，在進(jìn)行短路測(cè)試時(shí)，MOS冒煙燒毀。并且不是個(gè)例，對(duì)多塊板子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都是相同的結(jié)果。

圖7

4.2 原因分析：

從理論上分析，MOS短路損壞有以下幾個(gè)因素，我們逐一對(duì)其進(jìn)行分析，基本鎖定在“硬件問題-物料問題-結(jié)溫過(guò)高擊穿MOS”上，因?yàn)楦鼡Q參數(shù)性能更好的MOS或者縮短MOS 的關(guān)斷時(shí)間后，問題不再?gòu)?fù)現(xiàn)，下面將通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論計(jì)算驗(yàn)證該猜想。

圖8

4.3 場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)：

搭建MOS損壞和MOS正常工作的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用示波器抓取MOS的VDS、VGS和ID信號(hào)，注：黃色是GS壓差，藍(lán)色是DS壓差，紅色是電流。

圖9是MOS損壞的波形圖，可以看到短路之后，軟件有進(jìn)行關(guān)管操作，紅色的電流曲線也在慢慢下降，只是到最后的時(shí)刻，MOS被擊穿，電流又迅速回升。

圖10是MOS正常工作的波形圖，該電路縮短了MOS 的關(guān)斷時(shí)間，對(duì)比圖9和圖10，關(guān)斷時(shí)間從124us減小至82.4us，MOS不再損壞。

為什么關(guān)斷時(shí)間縮短之后，MOS就不會(huì)損壞了呢？下面將從理論上進(jìn)行分析和計(jì)算。

圖9

圖10

4.4 理論分析1

先說(shuō)明一下MOS損壞的實(shí)驗(yàn)條件：電芯電壓=56V，短路瞬間經(jīng)過(guò)單個(gè)MOS的瞬間最大電流=234A，MOS關(guān)斷時(shí)間=124us。

MOS從開始關(guān)斷到完全關(guān)斷的這段時(shí)間里（124us），電流從最大逐漸減小至0、VDS電壓從0逐漸增大至最大，因此電流*電壓的功率值如下圖綠線所示，最大功率Pmax=0.5*Vmax*0.5*Imax。為了預(yù)留一定的余量，我們認(rèn)為整個(gè)短路過(guò)程功率P一直等于Pmax，即下方紅色方框。

圖11

根據(jù)規(guī)格書的SOA圖，橫坐標(biāo)選擇28V，縱坐標(biāo)選擇117A，相交的點(diǎn)大約在100us，即在P=0.5*56V*0.5*234A的功率下，MOS只能正常工作100us，超過(guò)100us就有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)結(jié)果也可以說(shuō)明為什么120us的關(guān)斷時(shí)間MOS扛不住，而80us的關(guān)斷時(shí)間MOS可以扛住。

圖12

4.5 理論分析2

如果還要進(jìn)一步深挖，可以從結(jié)溫解釋SOA曲線下為什么MOS會(huì)被擊穿。

查看板上MOS器件的規(guī)格書，可以看到該MOS的RθJC =0.68℃/W。

已知短路時(shí)間=255us；關(guān)斷時(shí)間最大=120us、最小=80us。

圖13是短路255us的熱阻系數(shù)，約為0.14*0.68℃/W=0.0952℃/W。

圖14是關(guān)斷120us的熱阻系數(shù)，約為0.06*0.68℃/W=0.0408℃/W。

圖15是關(guān)斷80us的熱阻系數(shù)，約為0.045*0.68℃/W=0.0306℃/W。

圖13

圖14

圖15

短路255us的溫升：

0. 0952℃/W*I*I*R=0.0952℃/W *234A*234A*0.0035R=18.24℃

關(guān)斷120us的溫升：

0.0408℃/W*Pmax=0.0408℃/W *56V/2*234A/2=133.28℃

關(guān)斷80us的溫升：

0.0306*Pmax=99.96℃

假設(shè)環(huán)境溫度=40℃。

120us的關(guān)斷時(shí)間，瞬間結(jié)溫=40℃+18.24℃+133.28℃=191.52℃

80us的關(guān)斷時(shí)間，瞬時(shí)結(jié)溫=40℃+18.24℃+99.96℃=158.2℃

該MOS規(guī)格書標(biāo)注的最大結(jié)溫=175℃，所以從理論上解釋了120us不能扛住、80us可以扛住。

4.6 解決對(duì)策：

解決上述問題的方法有三個(gè)：一是更換參數(shù)性能更好的MOS；二是縮短MOS的關(guān)斷時(shí)間；三是并聯(lián)更多的MOS器件。三個(gè)方法后面都有做實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，并且驗(yàn)證是可行的。

5、結(jié)語(yǔ)

??????從上面的兩個(gè)案例可以看出，MOS器件在選型上非常重要，每一個(gè)參數(shù)都要符合實(shí)際的使用場(chǎng)景，否則極易出現(xiàn)燒管的現(xiàn)象。

審核編輯：黃飛

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