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周口干式变压器中功率MOSFET损坏模式及分析

发布者:beat365正版网站唯一官网-beat365正版网站唯一官网厂    发布时间:2020-07-16
周口干式变压器中功率MOSFET损坏模式及分析结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。

同时,也分析了功率MOSFET管在动态老化测试中慢速开通及在电池保护电路应用中慢速关断时,较长时间工作在线性区时,损坏的形态。后,结合实际的应用,论述了功率MOSFET通常会产生过电流和过电压二种混合损坏方式损坏机理和过程。


目前,功率MOSFET管广泛地应用于周口干式变压器系统及其它的一些功率电子电路中,然而,在实际的应用中,通常,在一些极端的边界条件下,如系统的输出短路及过载测试,输入过电压测试以及动态的老化测试中,功率MOSFET有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率MOSFET送到半导体原厂做失效分析后,得到的失效分析报告的结论通常是过电性应力EOS,无法判断是什么原因导致MOSFET的损坏。
本文将通过功率MOSFET管的工作特性,结合失效分析图片中不同的损坏形态,系统的分析过电流损坏和过电压损坏,同时,根据损坏位置不同,分析功率MOSFET管的失效是发生在开通的过程中,还是发生在关断的过程中,从而为设计工程师提供一些依据,来找到系统设计的一些问题,提高电子系统的可靠性。


1 过电压和过电流测试电路
过电压测试的电路图如图1(a)所示,选用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封装。其中,所加的周口干式变压器为60V,使用周口干式变压器来控制,将60V的电压直接加到AON6240的D和S极,熔丝用来保护测试系统,功率MOSFET损坏后,将周口干式变压器断开。测试样品数量:5片。
过电流测试的电路图如图2(b)所示,选用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封装。首先合上周口干式变压器A,用20V的周口干式变压器给大电容充电,电容C的容值:15mF,然后断开周口干式变压器A,合上周口干式变压器B,将电容C的电压加到功率MOSFET的D和S极,使用信号发生器产生一个电压幅值为4V、持续时间为1秒的单脉冲,加到功率MOSFET的G极。测试样品数量:5片。





2 过电压和过电流失效损坏
将过电压和过电流测试损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳,对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片,分别如图2(a)和图2(b)所示。
从图2(a)可以看到:过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞,通常称为热点,其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿,在过压时,通常导致功率MOSFET内部寄生三极管的导通,由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时,温度越高,而温度越高,流过此局部区域的电流就越大,从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。
硅片中间区域是散热条件差的位置,也是容易产生热点的地方,可以看到,上图中,击穿小孔洞即热点,正好都位于硅片的中间区域。
在过流损坏的条件下,图2(b )的可以看到:所有的损坏位置都是发生的S极,而且比较靠近G极,因为电容的能量放电形成大电流,全部流过功率MOSFET,所有的电流全部要汇集中S极,这样,S极附近产生电流 集中,因此温度高,也容易产生损坏。
注意到,在功率MOSFET内部,是由许多单元并联形成的,如图3(a)所示,其等效的电路图如图3(b )所示,在开通过程中,离G极近地区域,VGS的电压越高,因此区域的单元流过电流越大,因此在瞬态开通过程承担更大的电流,这样,离G极近的S极区域,温度更高,更容易因过流产生损坏。




3 过电压和过电流混合失效损坏
在实际应用中,单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生,更多的损坏是发生过流后,由于系统的过流保护电路工作,将功率MOSFET关断,这样,在关断的过程中,发生过压即雪崩。从图4可以看到功率MOSFET先过流,然后进入雪崩发生过压的损坏形态。
可以看到,和上面过流损坏形式类似,它们也发生在靠近S极的地方,同时,也有因为过压产生的击穿的洞坑,而损坏的位置远离S极,和上面的分析类似,在关断的过程,距离G极越远的位置,在瞬态关断过程中,VGS的电压越高,承担电流也越大,因此更容易发生损坏。





4 线性区大电流失效损坏
在电池充放电保护电路板上,通常,负载发生短线或过流电,保护电路将关断功率MOSFET,以免电池产生过放电。但是,和通常短路或过流保护快速关断方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度关断,如下图5所示,功率MOSFET的G极通过一个1M的电阻,缓慢关断。从VGS波形上看到,米勒平台的时间高达5ms。米勒平台期间,功率MOSFET工作在放大状态,即线性区。
功率MOSFET工作开始工作的电流为10A,使用器件为AO4488,失效的形态如图5(c)所示。当功率MOSFET工作在线性区时,它是负温度系数,局部单元区域发生过流时,同样会产生局部热点,温度越高,电流越大,导致温度更一步增加,然后过热损坏。可以看出,其损坏的热点的面积较大,是因为此区域过一定时间的热量的积累。另外,破位的位置离G极较远,损坏同样发生的关断的过程,破位的位置在中间区域,同样,也是散热条件差的区域.
另外,在功率MOSFET内部,局部性能弱的单元,封装的形式和工艺,都会对破位的位置产生影响
另外,一些电子系统在起动的过程中,芯片的VCC周口干式变压器,也是功率MOSFET管的驱动周口干式变压器建立比较慢,如在照明中,使用PFC的电感绕组给PWM控制芯片供电,这样,在起动的过程中,功率MOSFET由于驱动电压不足,容易进入线性区工作。在进行动态老化测试的时候,功率MOSFET不断的进入线性区工作,工作一段时间后,就会形成局部热点而损坏。
使用AOT5N50作测试,G极加5V的驱动电压,做周口干式变压器机的重复测试,电流ID=3,工作频率8Hz重复450次后,器件损坏,波形和失效图片如图6(b)和(c)所示。可以看到,器件形成局部热点,而且离G极比较近,因此,器件是在开通过程中,由于长时间工作线性区产生的损坏。
图6(a)是器件 AOT5N50在一个实际应用中,在动态老化测试过程生产失效的图片,而且测试实际的电路,起动过程中,MOSFET实际驱动电压5V,MOSFET工作在线性区,失效形态和图6(b)相同。




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