功率MOSFET的案例
干貨 | 常見功率MOSFET損壞模式及分析
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 功率MOSFET教程
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 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
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。
展開 保護IGBT和MOSFET免受ESD損壞
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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。
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牛人居然把功率MOS剖析成這樣，很難得的資料！
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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功率MOSFET的正向截止等效電路
（1）：等效電路
（2）：說明：
功率 MOSFET 正向截止時可用一電容等效，其容量與所加的正向電壓、環境溫度等有關，大小可從制造商的手冊中獲得。
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。
Allegro MicroSystems, LLC推出全新汽車級半橋MOSFET驅動器IC
支持ASIL-B的新產品設計用于具有高功率電感性負載的汽車應用
Allegro MicroSystems，LLC宣布推出兩款全新N溝道功率MOSFET驅動器IC，能夠控制以半橋配置連接的MOSFET。Allegro的A4926和A4927專為具有高功率電感性負載的汽車應用而設計，可適用于直流泵（制動、油、水和燃料）、空調系統（HVAC）、螺線管和致動器等設計。這些器件特別適合于必須滿足ASIL要求的汽車系統，與Allegro A2SIL?系列中其他產品一樣，A4926和A4927都集成有足夠多的功能來完善系統設計，幫助用戶實現所需的ASIL等級要求。
A4926和A4927集成有獨特的電荷泵穩壓器，能夠針對大多數應用提供完整的門驅動，即便是在電池電壓低至5.5V時。它們帶有可選自舉管理的自舉電容器，可用于提供N溝道MOSFET所需的高于電池的電源電壓。半橋可以由獨立的邏輯電平輸入或兼容SPI的串行接口來進行控制。外部功率MOSFET通過可編程的死區來保護，以避免發生擊穿（shoot-through）。
A4926和A4927具有的集成式診斷功能可以提供多種內部故障、系統故障和電源橋故障的指示，并可配置為在大多數數短路條件下保護功率MOSFET。串行接口除了能夠提供對橋控制的完全訪問之外，還可用于改變死區時間、VDS閾值、門驅動電流和故障空白時間（fault blank TIme）等可編程設置，通過串行接口可以讀取詳細的診斷信息。此外，A4927還包括有具備可編程增益和偏移能力的集成式低邊電流放大器。
A4926為20引腳eTSSOP無鉛封裝（后綴LP），引腳框采用100%霧錫電鍍（后綴T）。
A4927為24引腳eTSSOP無鉛封裝（后綴LP），引腳框采用100%霧錫電鍍（后綴T）。
展開 SiC芯片市場將迎來大爆發
Lin表示：“由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產能增長，在汽車行業的推動下，我們預計2018年會實現飛躍。”
據Yole稱，到2023年，SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。SiC器件的供應商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導體、意法半導體、Rohm、東芝和Wolfspeed。 Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商。
制造SiC
電力電子技術在全球電力基礎設施中發揮著關鍵作用。這項技術用于工業（電機驅動）、交通運輸（汽車，火車）、計算（電源）和可再生能源（太陽能、風能）。電力電子技術在系統中實現交流電和直流電（AC&DC）的轉換。
對于這些應用，行業使用的是各種功率半導體。一些功率半導體是專用晶體管，在系統中充當開關。它們允許電源在“開”狀態下流動，在“關”狀態下停止。
功率半導體是在成熟節點上制造的。這些器件旨在提高效率并最大限度地降低系統中的能量損失。通常，它們是根據電壓和其他規格來評定的，而不是根據工藝尺寸評定。
多年來，主流的功率半導體技術一直（現在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。功率MOSFET被認為是最便宜、最流行的器件，用于適配器、電源和其他產品。它們用于高達900伏的應用中。
在傳統的MOSFET器件中，源極和漏極位于器件的頂部。相比之下，功率MOSFET具有垂直結構，其中源極和漏極分別位于器件的相對側。垂直結構使器件能夠處理更高的電壓。
展開 8要點掌握場效應管MOSFET的型號選擇
來
源：芯智云電子分銷
01
什么是MOSFET?
場效應管(MOSFET)也叫場效應晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關斷能力，而且具備輸入電阻高、噪聲小、功耗低、驅動功率小、開關速度高、無二次擊穿、安全工作區寬等特點，MOSFET在組合邏輯電路、放大器、電源管理、測量儀器等領域應用廣泛。MOSFET按導電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，同時又有耗盡型和增強型之分，目前市場主要應用 N 溝道增強型。
MOSFET經歷了3次器件結構上的技術革新：溝槽型、超級結、屏蔽柵。每一次器件結構的進化，在某些單項技術指標上產品性能得到質的飛躍，大幅拓寬產品的應用領域。
（1）平面型功率MOSFET：誕生于1970s，具備易于驅動，工作效率高的優點，但芯片面積相對較大，損耗較高。
（2）溝槽型功率MOSFET：誕生于1980s，易于驅動，工作效率高，熱穩定性好，損耗低，但耐壓低。
（3）超結功率MOSFET：誕生于1990s，易于驅動，頻率超高、損耗極低，最新一代功率器件。
（4）屏蔽柵功率MOSFET：誕生于2000s，打破了硅材料極限，大幅降低了器件的導通電阻和開關損耗。
展開 單片機控制步進電機設計及失步原因分析
在該系統中由單片機直接輸出電機的各相控制脈沖序列，光耦進行必要的光電隔離，采用分立元件構成功率.MOSFET管驅動電路，帶動電機轉動。鍵盤接口與 LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實現。既可使用按鍵輸入的方式精確設置電機的工作方式與轉速，也可以通過調速旋鈕實現電機轉速的連續調節，還能通過上位機實現對電機工作方式的調整與控制。
2、硬件電路設計
2.1 控制電路設計
控制芯片采用STC12C4052AD，它是1個時鐘/機器周期的單片機，速度比普通的8051單片機快8～12倍，有20個引腳且為小巧封裝。該單片機具有超強抗干擾，抗靜電的特點，能輕松通過4 kV快速脈沖干擾，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗為2.7～7 mA。芯片自帶硬件看門狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A/D轉換，2路PWM輸出，4 KB容量的FLASH存儲器，256 B容量的SRAM，4個定時器，1個全雙工串行通信口。由于單片機內部的資源豐富，性價比高，能夠滿足該設計的要求，而且減少了硬件電路的設計，提高了工作效率。單片機的外部引腳定義，及其在該設計中的資源分布如圖2所示。
P1.4（ADC4）口外接4.7 kΩ的可調電位器，利用單片機內部的模/數轉換功能轉換成數字量，進而控制輸出脈沖頻率，完成步進電機速度的“連續”調節。過流檢測的結果直接引入到外部中斷0，實現對電流的快速控制。
2.2 驅動電路設計
功率MOSFET管的部分驅動電路如圖3所示。該電路的設計可改進功率MOSFET管的快速開通時間，提高了驅動電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開關狀態下漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極，產生相當幅度的VGS脈沖電壓。正方向的VGS脈沖電壓可能會導致器件的誤導通。
展開 智芯文庫 | 大功率SiC MOSFET逆變器驅動技術
| 來源：電力電子技術與新能源
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高鐵中的 IGBT 是什么？都在哪些領域有應用？
所謂絕緣柵，是指IGBT與MOSFET類似，作為控制的門級和功率電路部分是絕緣的，之間沒有通過導體或半導體電氣連接。門級只要出現一定的電壓，在半導體內部形成一定的電場，就可以實現IGBT的導通。
有了絕緣柵，在開關時，只需要在IGBT切換狀態的瞬時間內給門級注入/抽取一點能量，改變內部電場，就可以改變IGBT的工作狀態。這個過程很容易做的非常快速，這也是IGBT、功率MOSFET的最大開關速度較高的原因之一。相比之下，普通的三極管（BJT）中，控制極需要有持續的電流才能維持導通，而且當主功率電路中的電流較大時，這個電流也必須相應地變得比較大才能支持這樣的電流。
所謂雙極，是指IGBT導通時，半導體內的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導。就像教科書里二極管導通時電壓總是0.7V一樣，利用電導調制現象，IGBT導通時的電壓相對于大電流不敏感。相比之下，功率MOSFET作為單極器件，其導通時類似一個小電阻，小電阻上的電壓和電流呈線性關系，因此當電流超過一定程度時，功率MOSFET上消耗的電能（電壓和電流的乘積）就太大了，限制了MOSFET的最大電流。另一方面，減小MOSFET中小電阻的努力會希望MOSFET的兩個功率極不要相隔太遠，但這也制約了MOSFET承受電壓的能力。
所謂晶體管，其與GTO等晶閘管有一定的區別。晶閘管的內部結構類似于兩個晶體管，依靠這兩個晶體管之間相互放大，實現了IGBT等晶體管難以實現的超大電流的傳導。但其問題在于關斷器件時，需要抽取很大的電流，讓兩個晶體管退出相互放大的狀態。這一過程需要的瞬時功率大，速度也比較慢，所以關斷晶閘管的過程會損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開關頻率會明顯小于IGBT。
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所謂絕緣柵，是指IGBT與MOSFET類似，作為控制的門級和功率電路部分是絕緣的，之間沒有通過導體或半導體電氣連接。門級只要出現一定的電壓，在半導體內部形成一定的電場，就可以實現IGBT的導通。
有了絕緣柵，在開關時，只需要在IGBT切換狀態的瞬時間內給門級注入/抽取一點能量，改變內部電場，就可以改變IGBT的工作狀態。這個過程很容易做的非常快速，這也是IGBT、功率MOSFET的最大開關速度較高的原因之一。相比之下，普通的三極管（BJT）中，控制極需要有持續的電流才能維持導通，而且當主功率電路中的電流較大時，這個電流也必須相應地變得比較大才能支持這樣的電流。
所謂雙極，是指IGBT導通時，半導體內的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導。就像教科書里二極管導通時電壓總是0.7V一樣，利用電導調制現象，IGBT導通時的電壓相對于大電流不敏感。相比之下，功率MOSFET作為單極器件，其導通時類似一個小電阻，小電阻上的電壓和電流呈線性關系，因此當電流超過一定程度時，功率MOSFET上消耗的電能（電壓和電流的乘積）就太大了，限制了MOSFET的最大電流。另一方面，減小MOSFET中小電阻的努力會希望MOSFET的兩個功率極不要相隔太遠，但這也制約了MOSFET承受電壓的能力。
所謂晶體管，其與GTO等晶閘管有一定的區別。晶閘管的內部結構類似于兩個晶體管，依靠這兩個晶體管之間相互放大，實現了IGBT等晶體管難以實現的超大電流的傳導。但其問題在于關斷器件時，需要抽取很大的電流，讓兩個晶體管退出相互放大的狀態。這一過程需要的瞬時功率大，速度也比較慢，所以關斷晶閘管的過程會損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開關頻率會明顯小于IGBT。
展開 專為將導通損耗降至較低而設計的800V+N型碳化硅MOSFET
“超節功率MOS管”應為?超結功率MOS管?（Super Junction MOSFET），是一種專為高壓大功率應用優化的功率半導體器件。其核心創新在于通過?電荷平衡結構?突破傳統硅器件的“硅極限”（即耐壓與導通電阻之間的權衡關系）。
超結MOS管的工作原理
采用?P柱（P-type pillar）與N柱（N-type pillar）交替排列?的超結結構，替代傳統MOSFET中單一的N型漂移區。P柱和N柱的摻雜濃度和電荷量相互補償，實現?體電荷平衡?（即總正負電荷近似相等）。
在傳統MOSFET中，耐高壓需加厚低摻雜漂移區，導致導通電阻（RDS(on)）很高。關斷狀態?：漏源間加高電壓時，P柱與N柱形成的耗盡區擴展并相互貫穿，實現高耐壓。導通狀態?：柵極施加足夠電壓（VGS > Vth）形成N型溝道，電子從源極流向漏極；由于超結結構降低了漂移區電阻，導通損耗顯著減小。
工采電子代理的N型碳化硅MOSFET - SCF80R450XTH是一款基于XLW先進的設計理念及寬帶隙材料的獨特特性，我們的碳化硅功率MOSFET具備低導通電阻、低柵極電荷、低Qrr值以及卓越的熱性能。該器件專為將導通損耗降至較低而設計，同時確保開關性能優異，且幾乎不受溫度變化的影響。
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。
展開 投影儀上自動對焦鏡頭馬達驅動芯片SS8833T
采用PWM控制方式每個H橋的輸出驅動器塊由P+N溝道功率MOSFET組成，配置為 H 橋以驅動電機繞組；每個H橋包括調節或限制繞組電流的電路。
集成了兩個P+NMOS H橋和電流調節電路；每個H橋的輸出驅動器塊由P+N溝道功率MOSFET組成‘’配置為H橋以驅動電機繞組;每個H橋包括調節或限制繞組電流的電路。
內部安全功能包括使用外部限流電阻實現輸出電流限制、欠壓鎖定、過電流保護（OCP）和過熱保護關機；過溫輸出報警，可用于指示熱關機。
應用電路：
引腳配置：
引腳描述：
封裝形式規格：
1、ETSSOP16：5.0mmx6.4mm，背面有一個裸露的散熱墊。
2、QFN3x3-16：3.0mmx3.0mm。
3、QFN4x4-16：4.0mmx4.0mm。
工采網提供各類馬達驅動芯片，小封裝，多種接口方式，外圍電路少，內置各種保護功能（過溫，過流，過欠壓保護）全程提供技術，可申請樣品；歡迎咨詢：19168597394（微信同號）期待您的來訪。
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