功率MOSFET管的案例
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 單片機控制步進電機設計及失步原因分析
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。為此，需要適當降低柵極驅動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩壓值小于20 V，而又接近20 V的齊納二極管，以防止柵源開路工作。
為了抑制功率管內的快恢復，二極管出現反向恢復效應，在電路中接入4只快恢復二極管。其中，反并聯快恢復二極管的作用是為電機相繞組提供續流通路，其余2 只是為了使功率MOSFET管內部的快恢復二極管不流過反向電流，以保證功率MOSFET管在動態工作時能起到正常的開關的作用。
2.3 顯示與按鍵處理電路
在單片機應用系統中，典型的鍵盤顯示接口電路由基于并行擴展技術的8155，8279構成控制電路。現代單片機應用系統廣泛采用串行擴展技術。相對于并行方式，串行擴展接線靈活，占用單片機資源少。
ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時驅動8位數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，單片即可完成顯示、鍵盤接口的全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數據從DIO引腳送入芯片，并由CLK端同步。當選信號變為低電平后，DIO引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是ZLG7289的典型應用。ZLG7289A連接共陰式數碼管，應用中不需要的數碼管與鍵盤可以不連接，省去數碼管或對數碼管設置消隱屬性，這均不會影響鍵盤的使用。整個電路無需添加鎖存器和驅動器，耗電少，軟件設計中無需編寫顯示譯碼程序，省去了靜態顯示擴展芯片，大大節省了CPU的時間。
展開 高集成、高效率D類音頻放大器iML6603Pin?to?Pin替代Ti TPA3128
用控制器將模擬或數字音頻信號在被集成到功率后端設備中的功率MOSFET管放大之前，轉換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發展新趨勢。
工采網代理的模擬功放芯片 - IML6603是一款高集成、高效率的雙通道D類音頻放大器；該芯片具有低失真、低噪聲和高動態范圍的特點；能夠輸出高達60W的功率，并支持4Ω、8Ω的揚聲器負載；采用了寬輸入電壓范圍和高抗干擾能力的設計，可Pin-to-Pin兼容替代TI TPA3128；可以適應各種音頻應用場景。
iML6603音頻放大器由工采網（一級代理）推廣銷售；芯片具有優異的性能、出色的音頻處理能力；供電電壓范圍：4.5V～26V（支持單、雙供電），支持兩種模式輸出：在雙通道BTL模式下，能夠輸出24V@2*30W/8Ω的功率；在單通道PBTL模式下，能輸出24V@60W/4Ω功率；小巧的封裝易于集成到各種音頻設備中，如音響、功放、無線音箱等。
芯片內置多種保護功能，包括過溫保護、過電流保護和短路保護等，可以保證系統的穩定性和安全性。此外，該芯片還支持直流偏置和AC耦合輸入方式，能夠適應不同的音頻輸入需求。
同時芯片使用標準LC濾波器配置，支持低至15ma的無空閑電流；集成了100mΩ的電流，允許輸出電流高達9A；可以通過使用SYNC引腳將該設備配置為主機或從機操作，配置使用同步引腳有助于防止聽到beats噪聲；可廣泛應用于：條形音箱、藍牙音箱、電視音頻、家庭影院等等。
展開 在家庭影院音頻中應用的D類音頻放大器
音響設備通常需要一臺功率適當的數字、模擬混合的處理器，對音源進行降噪、均衡、擴展等處理操作，以達到高品質的音效表現。
模擬功放芯片在家庭影院音頻系統中扮演著至關重要的角色；相比傳統的功放芯片，具有更高的效率、更清晰的音質和更小的體積，能夠對音頻信號進行精確的處理和調整，從而實現高保真的音質表現；無論是細膩的音樂演奏還是震撼的電影場景，數字功放芯片都能讓你身臨其境，感受到每一個音符的精細之處。
D類放大器，是通過控制開關單元的ON/OFF，驅動揚聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產品中，已經得到了巨大的發展，系統設計者極大地改善了系統的耐用性，并提高了其音頻質量。
用控制器將模擬或數字音頻信號在被集成到功率后端設備中的功率MOSFET管放大之前，轉換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發展新趨勢。
此外，功放芯片的輸出阻抗也要與音箱的輸入阻抗匹配，以確保音頻信號的傳輸穩定。其次要考慮芯片的音質表現；不同的數字功放芯片有不同的音質特點，有的音質細膩柔和，有的音質爆發力強。最后要考慮功放芯片的功能和接口。
模擬功放芯片采用數字信號處理技術，能將音頻信號轉換為數字信號，并通過數字放大技術進行放大；相比傳統的功放芯片，能源利用率更高，可以有效地避免傳統模擬功放中容易出現的失真、噪聲等問題；同時，還具有自動保護功能，能夠防止因過熱、過流等因素造成的損壞。
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盤點 | 10個電源設計中最常用的公式！
0
1
MOSFET開關管工作的最大占空比Dmax：
式中：Vor為副邊折射到原邊的反射電壓，當輸入為AC 220V時反射電壓為135V；VminDC為整流后的最低直流電壓；VDS為MOSFET功率管導通時D與S極間電壓，一般取10V。
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2
變壓器原邊繞組電流峰值IPK為：
式中：η為變壓器的轉換效率；Po為輸出額定功率，單位為W。
0
3
變壓器原邊電感量LP為：
式中：Ts為開關管的周期(s)；LP單位為H。
0
4
變壓器的氣隙lg為：
式中：Ae為磁芯的有效截面積(cm2)；△B為磁芯工作磁感應強度變化值(T)；Lp單位取H，IPK單位取A，lg單位為mm。
展開 超詳細解析開關電源知識，超強整理！
圖16描述的正是典型的PFC電路：
主動式PFC電路圖
主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關管。這些開關管一般都會安置在一次側的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標記了每一顆MOSFET開關管：S表示源極（Source）、D表示漏極（Drain）、G表示柵極（Gate）。
PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術，兩者長的很像，同樣被安置在一次側的散熱片上，不過PFC二極管只有兩根針腳。
PFC電路中的電感是電源中最大的電感；一次側的濾波電容是主動式PFC電源一次側部分最大的電解電容。圖16中的電阻器是一顆NTC熱敏電阻，可以更加溫度的變化而改變電阻值，和二級EMI的NTC熱敏電阻起相同的作用。
主動式PFC控制電路通常基于一顆IC整合電路，有時候這種整合電路同時會負責控制PWM電路（用于控制開關管的閉合）。這種整合電路通常被稱為 “PFC/PWM combo”。
照舊，先看一些實例。在圖17中，我們將一次側的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。左側是瞬變濾波電路的二級EMI電路，上文已經詳細介紹 過；再看左側，全部都是主動式PFC電路的組件。
由于我們已經將散熱片去除，所以在圖片上已經看不到PFC晶體管以及PFC二極管了。此外，稍加留意的話 可以看到，在整流橋和主動式PFC電路之間有一個X電容（整流橋散熱片底部的棕色元件）。通常情況下，外形酷似陶制圓盤電容的橄欖色熱敏電阻都會有橡膠皮 包裹。
主動式PFC元器件
圖18是一次側散熱片上的元件。
展開 干貨｜超詳細解析開關電源知識
圖16描述的正是典型的PFC電路：
主動式PFC電路圖
主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關管。這些開關管一般都會安置在一次側的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標記了每一顆MOSFET開關管：S表示源極（Source）、D表示漏極（Drain）、G表示柵極（Gate）。
PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術，兩者長的很像，同樣被安置在一次側的散熱片上，不過PFC二極管只有兩根針腳。
PFC電路中的電感是電源中最大的電感；一次側的濾波電容是主動式PFC電源一次側部分最大的電解電容。圖16中的電阻器是一顆NTC熱敏電阻，可以更加溫度的變化而改變電阻值，和二級EMI的NTC熱敏電阻起相同的作用。
主動式PFC控制電路通常基于一顆IC整合電路，有時候這種整合電路同時會負責控制PWM電路（用于控制開關管的閉合）。這種整合電路通常被稱為 “PFC/PWM combo”。
照舊，先看一些實例。在圖17中，我們將一次側的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。左側是瞬變濾波電路的二級EMI電路，上文已經詳細介紹 過；再看左側，全部都是主動式PFC電路的組件。
由于我們已經將散熱片去除，所以在圖片上已經看不到PFC晶體管以及PFC二極管了。此外，稍加留意的話 可以看到，在整流橋和主動式PFC電路之間有一個X電容（整流橋散熱片底部的棕色元件）。通常情況下，外形酷似陶制圓盤電容的橄欖色熱敏電阻都會有橡膠皮 包裹。
主動式PFC元器件
圖18是一次側散熱片上的元件。
展開 提供了一種低功耗睡眠模式來關斷內部電路的雙通道集成電機驅動芯片-SS6811H
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。其關鍵優勢在于不僅能控制方向，還能實現動態制動（短接電機兩端）和脈寬調制（PWM）調速。
?關鍵性能參數?：
?驅動電流?：決定了芯片能帶動多大功率的電機，分為連續輸出電流和峰值電流。
?工作電壓范圍?：決定了芯片適用的電源系統。寬電壓范圍（如3V-20V）的芯片適配性更強。
?導通電阻（Rds(on)）?：指內部功率管的導通電阻，數值越小，芯片自身的功耗和發熱越低，效率越高。
?保護功能?：高端芯片會集成過溫保護（TSD）、過流保護（OCP）、欠壓鎖定（UVLO）等，這對提高系統可靠性至關重要。
工采網代理的SS6811H是一款雙通道H橋驅動芯片；采用PWM接口進行控制；具有兩個獨立的H橋驅動通道，每個H橋能夠提供1.6A的輸出電流(在24V和Ta = 25°C適當散熱條件下)，可同時控制兩個電機；能夠精確地控制電機的速度和方向；適用于舞臺燈光和其他電機一體化應用。
SS6811H電壓范圍8.2V~38V，導通電阻0.72Ω，內部的功率輸出模塊由N型功率MOSFET組成，能夠提供高效的功率輸出。雙通道H橋使得它可以驅動兩個刷式直流電機，一個雙極步進電機，或者螺線管等感性負載。同時它還提供了一種低功耗睡眠模式，通過設置SLEEP引腳來實現，可以關斷內部電路，以達到非常低的靜態電流。
展開 基于Saber的無刷直流電機控制系統仿真
1. 2 電子換向器建模
電子換向器的主要功能根據電機位置傳感器產生的霍爾位置信號HA、HB、HC、電機轉向控制信號DIR和電機轉速調節信號PWM產生控制6個功率管開通與關斷的控制信號S1、S2、S3、S4、S5、S6。當控制電機DIR信號為“0”時，電機負向轉動;當DIR信號為“1”時，電機正向轉動;PWM信號占空比在0～1.0之間變化，通過控制PWM信號的占空比大小實現電機速度的調節，占空比越大，電機轉速越高。
電子換向器的輸出控制邏輯關系如下，PWM信號對半橋的高端管進行調制實現電機調速的目的。
在換向邏輯實現上，為了提高系統的可靠性，采用與門、異或、非門集成邏輯門電路實現電機的邏輯換向。
設置PWM占空比為0.6時，電子換向器的仿真分析結果如圖3所示，其中S1、S4為一個半橋的高端管、低端管的控制信號。
在上圖的仿真結果可以看到，同一半橋上的兩個管不能同時導通;PWM調制信號實現了對半橋的高端管的控制。
1.3 三相逆變器電路的建模
逆變電路的作用是接收電子換向器的控制信號，并將之轉化為逆變電路6個功率管的柵極驅動控制信號，通過控制功率管的開通和關斷，將電機電源轉換為可以驅動無刷電機運行的三相交流電U、V和W。
在電機功率驅動電路中，三相逆變橋電路有6個功率管。對于Mosfet功率開關管，其導通的條件時柵-源之間的電壓Ugs大于某個閾值，這個閾值對于不同的功率管是不同的。
如圖4為一個三相逆變器的半橋電路原理圖。
對于低端的管子Q4，由于其源極(s)接地，所以當控制Q4導通時，只要在Q4的柵極加大于閾值的電壓信號Ud即可;但對于高端的管子Q1，由于其源極電位U是浮動的，僅靠單獨在Q1的柵極上施加電壓信號Up控制Q1導通比較困難。
基于以上分析，功率開關管一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式。
展開 功率器件進階之路
第一代功率器件——半控型晶閘管時代
1947年，貝爾實驗室發明了由多晶鍺構成的點觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗證，一場電子技術的革命開始了。
1957年，美國通用電氣公司發明了晶閘管，標志著電力電子技術的誕生，正式進入了以晶閘管為代表的第一代電力電子技術發展階段。當時的晶閘管主要用于相控電路，工作頻率一般低于400Hz，較水銀整流器，具有體積小、可靠性高、節能等優點。但只能控制導通，不能控制關斷的半控型特點在直流供電場合的使用顯得很雞肋，必須要加上電感、電容以及其他開關件才能強制換流，從而導致變流裝置整機體積增大、效率降低等問題的出現。
第二代功率器件——以GTO、BJT、MOSFET、IGBT為代表的全控型功率器件時代
1970年代，既能控制導通，又能控制關斷的全控型功率器件在集成電路技術的發展過程中應運而生，如門極可關斷晶閘管GTO、電力雙極型晶體管BJT、電力場效應晶體管功率MOSFET等，其工作頻率達到兆赫級，常被應用于直流高頻斬波電路、軟開關諧振電路、脈寬調制電路等。
到了1980年代后期，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）出現，兼具MOSFET輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快和BJT通態壓降小、載流能力大、耐壓高的優點，因此在中低頻率、大功率電源中運用廣泛。
展開 干貨｜設計一個電源，該如何考慮選擇拓撲？
筆者建議大功率電源最好不要采用輸入電流斷續的拓撲，因為那些拓撲通常需要很花錢的磁元件。
07
BJT，MOSFET還是IGBT？
拓撲選擇與所能用的功率器件有關。就目前可以買到的功率器件有雙極型（BJT）功率管，MOSFET和IGBT。雙極型管的電壓定額可超過1.5kV，常用1kV以下，電流從幾mA到數百A；MOSFET在1kV以下，常用500V以下,電流數A到數百A；IGBT電壓定額在500V以上，可達數kV，電流數十A到數kA。
不同的器件具有不同的驅動要求：雙極型晶體管是電流驅動，大功率高壓管的電流增益低，常用于單開關拓撲。在低功率到中等功率范圍，除了特別的理由以外，90%選擇MOSFET。
理由之一是成本。如果產品產量大，雙極性管仍然比MOSFET便宜。但是使用雙極型功率管就意味著開關頻率比MOSFET低，因此磁元件體積比較大。這樣是否還合算？你得仔細研究研究成本。
高輸入電壓（380V）時，或推挽拓撲加上瞬態電壓要求雙倍以上電壓，選擇功率管你可能感到為難，如果采用雙極型管，你可以買到1500V雙極型管，而目前能買到MOSFET最大電壓為1000V，導通電阻比BJT大。當然，你可能考慮用IGBT，遺憾的是IGBT驅動雖然像MOSFET，而它的開關速度與雙極型管相似，有嚴重的拖尾問題。
可見，低壓（500V）以下，基本上是MOSFET天下，小功率（數百瓦）開關頻率數百kHz。
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需求暴增的IGBT
2011-2025全球光伏新增裝機預測（GW)：
2019年全球光伏逆變器市場分布情況：
資料來源：中國光伏行業協會，固德威上市招股說明書，方正證券研究所整理
市場空間：光伏逆變器用IGBT市場測算
光伏IGBT市場
空間測算
資料來源：華經產業研究院，方正證券研究所測算，1GW=109W
行業趨勢：IGBT單管與模塊并存
逆變電路：IGBT VS
MOSFET
采用功率場效應管MOSFET構成的推挽式逆變電路比較簡單，變壓器的中性抽頭接于電源正極，MOSFET的一端接于電源負極，交替工作最后輸出交流電力，但是帶感性負載的能力差，而且變壓器的效率也較低，因此應用起來有一些條件限制。
采用絕緣柵雙極晶體管IGBT構成的全橋逆變電路，其中Q1和Q2之間的相位相差180°，輸出交流電壓的值隨Q1和Q2的輸出變化而變化。
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