功率MOSFET
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-29
功率MOSFET的實例教程
本文結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，并說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發生失效形態的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發生損壞提供了判斷依據。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時，較長時間工作在線性區時，損壞的形態。最后，結合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態的老化測試中，功率MOSFET有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。
本文將通過功率MOSFET管的工作特性，結合失效分析圖片中不同的損壞形態，系統的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發生在開通的過程中，還是發生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據，來找到系統設計的一些問題，提高電子系統的可靠性。
展開 眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅動功率，且開關速度優異。可以說具有“理想開關”的特性。其主要缺點是開態電阻(RDS(on))和正溫度系數較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數據表。
功率MOSFET結構
圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區域將積累足夠多的電子從而產生N型反型層；在襯底形成導電溝道(MOSFET被增強)。電子在溝道內沿任意方向流動。電子從源極流向漏極時，產生正向漏極電流。溝道關斷時，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結維持漏源之間的電勢差。對于N型MOSFET，正向導通時，只有電子流，沒有少子。開關速度僅受限于MOSFET內寄生電容的充電和放電速率。因此，開關速率可以很快，開關損耗很低。開關頻率很高時，這讓功率MOSFET具有很高的效率。
圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。
開態電阻
開態電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區和寄生效應(多層金屬，鍵和線和封裝)等因素的影響電壓超過150V時，RDS(on)主要取決于漂移區電阻。
圖2：RDS(on)與電流的關系。
高壓MOSFET中RDS(on) 與電流的相關較弱。
展開 減小開關損耗的方法，一是優化應用電路進一步提高開關速度，二是采用軟開關，兩者都是提高了設計難度，同時也增加了電路的復雜度
總結上面的SiC MOSFETＴ高性能帶來的問題，答案可能會集中在緊湊的布局設計和良好的導熱設計上，而這兩點在SiC MOSFET分立器件中都無法很好的解決，只有模塊應用才能得到比較好的綜合性能。
此外，目前關于SiC MOSFET的一個熱門應用研究是基于電動汽車電機驅動的應用，電機驅動的輸出功率較大，即使小型電動汽車也有幾十千瓦的功率等，所以單個SiC MOSFET是無法達到這樣的功率容量要求的，只有多芯片并聯的方式才能夠滿足功率需求。
SiC MOSFET目前依然價格偏高，盡管在大功率應用中可以通過冷卻系統的成本降低來減少系統總成本，但在中低功率系統中很難從其他方面（比如散熱系統簡化、無源器件減小、運行損耗降低等等）來平衡SiC MOSFET芯片的成本增加，因此從降低系統成本角度出發，對于特定功率容量的模塊，芯片數量的優化是一個需要考慮的方面。
功率模塊是SiC MOSFET的最重要封裝形式，不僅可以較容易實現功率擴容，還便于開關過程中高頻回路的優化設計，同時便于提高整機的功率密度，更好的發揮出SiC MOSFET的性能優勢。除此之外，功率模塊的散熱能力相對于分立器件要高很多，因此非常有利于在電動汽車中電機驅動方面的應用。
電動汽車的電機驅動的電路結構一般有兩種。
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ESD對功率MOSFET的危害
故障模式
功率MOSFET最大的運行優勢之一是：當達到ESD超高輸入電阻時（典型值> 4 x 109 ohms)，它會關閉。功率MOSFET的柵極可以視為一個低電壓（HEXFET器件電壓為+ 20V）低泄露的電容。如圖1所示，電容器極板主要由硅柵極和源極金屬化形成。電容器介質是氧化硅柵極絕緣。
圖 1. HEXFET 基本結構
當柵源電壓高到跨過柵介質時，MOSFET發生ESD損壞。此時柵氧化層上的微孔被燒壞，器件永久性損壞。如同任何電容，必須給功率MOSFET的柵極充電以便達到特定的電壓。更大的器件有更大的電容，電壓每上升一伏也需要更多的電荷，因此比較小的MOSFET更不容易遭受ESD損壞。同樣，靜電放電一般不會產生突發性失效，除非柵源電壓超出額定最大值的2到3倍。
圖2a是典型的ESD損傷場景。這個場景是將人體模型（HBM)充電到700V，然后再放電到器件的柵極所產生的損傷。在將裸片表層從多晶硅剝離后，用掃描電子顯微鏡放大5000倍拍攝了該照片。圖2b顯示在剝離之前，裸片表面無任何可視性損傷。圖2a的實際損傷直徑僅為8微米。ESD損傷表現出的電氣癥狀是柵極和源極之間的低電阻或齊納效應，施加的電壓小于±20伏。
造成ESD損傷所需的電壓至少為1000 V（具體大小取決于芯片尺寸）。這是由于承載電荷的體二極管的電容大大低于MOSFET的Ciss，因此當電荷轉移時，所產生的電壓就會遠低于原始電壓。
靜電場也會損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因為將FET的未保護柵極放置在電暈放電路徑中引起的。
展開 功率MOSFET的穩態特性總結
（1）：功率MOSFET 穩態時的電流/電壓曲線
（2）：說明：
功率 MOSFET 正向飽和導通時的穩態工作點：
當門極不加控制時，其反向導通的穩態工作點同二極管。
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<p style="margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; border: 0px;">7.1 汽車功率半導體技術：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設計開發、生產設備等；</p>
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普通功率MOS管（通常指?功率MOSFET?，即金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）是一種?電壓控制型?半導體器件，廣泛用于開關電源、電機驅動、電源管理等大電流、高效率場景。其核心工作原理基于?柵極電壓對導電溝道的調控?。
工采網代理的普通功率MOS管 - ?MOT10N65F?是一款 ?N溝道增強型功率 MOSFET?，專為高壓、高頻開關應用設計。
此外，我們的碳化硅功率MOSFET具有高可靠性和極高的效率，其開發旨在提升終端應用的性能，特別是在工作頻率、能效、可靠性以及系統尺寸和重量的減小方面。
3.1 汽車功率半導體技術：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設計開發、生產設備等；
4、 汽車輕量化技術及汽車材料：金屬材料、塑料、發泡材料、復合材料、輕量化零部件、車身連接技術等；
4.1 汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案
通過使用外部功率MOSFET（GVH TR），可以設計出具有較少外部組件且在高功率下保持穩定熱設計的電路，這些MOSFET由Greenchip提供。
可以根據系統規格輕松添加控制電路。如果設計者希望進一步降低總諧波失真（THD），減少輸入電壓波動引起的功率變化，或添加調光電路，這些功能可以通過較少的外部組件實現。此外，其功率可以分配給外部的MOSFET。
這類芯片內部多采用H橋電路結構，通過控制功率MOSFET或晶體管的導通與關斷，改變電機兩端的電壓極性，從而實現電機的雙向驅動。
核心工作原理與技術特性：
H橋拓撲結構?：這是雙向驅動的基礎。芯片內部集成四個功率開關（通常為MOSFET），排列成“H”形。通過邏輯控制電路，精確控制對角線開關的導通，使電流沿不同方向流過電機，實現正反轉。
典型組件包括LDO（低噪聲、低壓差）、DC/DC（高效能升降壓）、PWM控制器及功率MOSFET等。該器件通過脈寬調制技術調節脈沖信號占空比控制能量傳輸，配合反饋機制實現穩壓或恒流。
輸出由N溝道功率MOSFET組成的H橋電路，以驅動電機繞組。內部電荷泵生成所需的柵極驅動電壓。
SS8837T提供了一體化的電機驅動器解決方案，能夠驅動直流電機或螺線管等設備，輸出電流達到1.8A,適用于0至12V之間的電機電源電壓，及1.8V至12V范圍內的器件電源電壓;此外，還增加了欠壓鎖定、過流保護、短路保護和過熱保護的內部關斷功能，以確保設備的安全運行。
由工采網代理的SS8844T是一款四通道1/2H橋驅動芯片，提供四個可獨立控制的1/2H橋啟動器；可被用于驅動兩個DC電機、一個步進電機、四個螺線管或者其它負載；針對每個通道的輸出驅動器通道由在一個1/2H橋配置中進行配置的N通道功率MOSFET組成。
該芯片集成了多功能數字音頻信號處理功能、高性能高保真全數字PWM調制器、立體聲耳機放大器以及兩個大功率全橋MOSFET功率級。
NTP8230G接收采樣頻率為8kHz至192kHz的數字串行音頻數據，采用帶散熱器的立體聲模式輸出2×30瓦功率。NTP8230G配備混頻器和雙四分頻濾波器，可實現響度控制、揚聲器響應補償及參數均衡等核心音頻信號處理功能。
