MOS管工作原理

MOS管的工作原理（以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管）它是利用VGS來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。

在制造管子時(shí)，通過(guò)工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

MOS管的分類

MOS管按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種，按導(dǎo)電方式又分耗盡型與增強(qiáng)型，所以MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型，P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。不過(guò)現(xiàn)實(shí)中，耗盡型的類型很少，而P溝道也比較少，最多的就是N溝道增強(qiáng)型。

大部分MOS管的外觀極其類似，常見(jiàn)的封裝種類有TO252 / TO220 / TO92 / TO3 / TO247等等，但具體的型號(hào)有成千上萬(wàn)種，因此光從外觀是無(wú)法區(qū)分的。對(duì)于不熟悉型號(hào)，經(jīng)驗(yàn)又比較少的人來(lái)說(shuō)，比較好的方法就是查器件的datasheet。

里面會(huì)詳細(xì)告訴你，它的類型和具體參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于你設(shè)計(jì)電路極有用。我們區(qū)分類型，一般就是看型號(hào)，比如IRF530 / IRF540 / IRF3205 / IRPF250等這些都是很常見(jiàn)的N溝道增強(qiáng)型。

無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的，是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，MOS管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。

N型MOS管的特性：VGS大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到一定電壓（如4V或10V，其他電壓看手冊(cè)）就可以了。

P型MOS管的特性：VGS小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然P型MOS管可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大、價(jià)格貴、替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中通常還是使用N型MOS管。

MOS管失效的6大原因

雪崩失效（電壓失效）：也就是我們常說(shuō)的漏源間的BVdss電壓超過(guò)MOS管的額定電壓，并且超過(guò)達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOS管失效。

柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效

靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

諧振失效：在并聯(lián)使用的過(guò)程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

SOA失效（電流失效）：既超出MOS管安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過(guò)大，損耗過(guò)高器件長(zhǎng)時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。

雪崩失效（電壓失效）

到底什么是雪崩失效呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)MOS管在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOS管漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡(jiǎn)而言之就是由于就是MOS管漏源極的電壓超過(guò)其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見(jiàn)的失效模式。

雪崩破壞的預(yù)防措施：

合理降額使用。目前，行業(yè)內(nèi)降額一般選擇80%-95%的降額。具體情況根據(jù)公司保修條款和電路重點(diǎn)來(lái)選擇。

合理的變壓器反射電壓。

合理的RCD和TVS吸收電路設(shè)計(jì)。

大電流接線盡量采用大、小布置，以減小接線寄生電感。

選擇一個(gè)合理的門電阻Rg。

在大功率電源中，可以根據(jù)需要增加RC阻尼或齊納二極管吸收。

柵極電壓失效

造成柵極電壓異常高的主要原因有三：生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過(guò)程中的靜電；電力系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備和電路寄生參數(shù)引起的高壓諧振；在高壓沖擊過(guò)程中，高壓通過(guò)Ggd傳輸?shù)诫娋W(wǎng)（在雷擊試驗(yàn)中，這種原因引起的故障更常見(jiàn)）。

門極電壓失效的預(yù)防措施：

柵極和源極之間的過(guò)電壓保護(hù)：如果柵極和源極之間的阻抗過(guò)高，漏極和源極之間電壓的突然變化將通過(guò)電極間電容耦合到柵極上，導(dǎo)致非常高的UGS電壓超調(diào)，從而導(dǎo)致柵極超調(diào)。氧化物層永久性損壞。如果是正方向上的UGS瞬態(tài)電壓，設(shè)備也可能導(dǎo)通錯(cuò)誤。為此，應(yīng)適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，并在柵極和源極之間并聯(lián)一個(gè)阻尼電阻或一個(gè)穩(wěn)壓約20V的調(diào)壓器。必須特別注意防止開(kāi)門操作。

排水管之間的過(guò)電壓保護(hù)：如果電路中存在電感負(fù)載，當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，漏極電流（di/dt）的突然變化將導(dǎo)致漏極電壓超調(diào)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電源電壓，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。應(yīng)采取齊納鉗、RC鉗或RC抑制電路等保護(hù)措施。

靜電分析

靜電的基本物理特性是：有吸引力或斥力；有電場(chǎng)，與地球有電位差；產(chǎn)生放電電流。這三種情況對(duì)電子元件有以下影響：

該元件吸收灰塵，改變線路之間的阻抗，影響元件的功能和壽命。

由于電場(chǎng)或電流的作用，元件的絕緣層和導(dǎo)體損壞，使元件不能工作（完全損壞）。

由于電場(chǎng)的瞬時(shí)軟擊穿或電流過(guò)熱，元件受到損壞。雖然它還能工作，但它的生命受到了損害。

靜電失效預(yù)防措施：MOS電路輸入端的保護(hù)二極管在通電時(shí)的電流容限為1毫安。當(dāng)可能出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)輸入電流（大于10mA）時(shí)，輸入保護(hù)電阻應(yīng)串聯(lián)。同時(shí)，由于保護(hù)電路吸收的瞬時(shí)能量有限，過(guò)大的瞬時(shí)信號(hào)和過(guò)高的靜電電壓會(huì)使保護(hù)電路失效。因此，在焊接過(guò)程中，烙鐵必須可靠接地，以防止設(shè)備輸入端子泄漏。一般使用時(shí)，斷電后，可利用烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，其接地腳應(yīng)先焊好。諧振失效

當(dāng)功率MOS管并聯(lián)而不插入柵極電阻但直接連接時(shí)發(fā)生的柵極寄生振蕩。當(dāng)漏源電壓在高速下反復(fù)接通和斷開(kāi)時(shí)，這種寄生振蕩發(fā)生在由柵極漏極電容Cgd（Crss）和柵極pin電感Lg構(gòu)成的諧振電路中。當(dāng)建立共振條件（ωL=1/ωC）時(shí)，在柵極和源極之間施加遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電壓Vgs（in）的振動(dòng)電壓，柵極因超過(guò)柵極源額定電壓而損壞，漏源電壓開(kāi)關(guān)時(shí)的振動(dòng)電壓通過(guò)柵極漏極電容器Cgd和Vgs的重疊波形產(chǎn)生正反饋，可能引起故障引起振蕩破壞。

諧振失效預(yù)防措施：阻力可以抑制由于阻尼引起的振蕩。然而，將一個(gè)小電阻串聯(lián)到柵極上并不能解決振蕩阻尼問(wèn)題，主要原因是驅(qū)動(dòng)電路的阻抗匹配和功率管開(kāi)關(guān)時(shí)間的調(diào)整。

體二級(jí)管故障

在不同的拓?fù)浜碗娐分?，MOS管具有不同的作用。例如，在LLC中，體二極管的速度也是影響MOS管可靠性的一個(gè)重要因素。由于二極管本身是寄生參數(shù)，因此很難區(qū)分漏源體二極管故障和漏源電壓故障。二極管故障的解決方案主要是通過(guò)結(jié)合自身電路來(lái)分析。

SOA失效（電流失效）

半導(dǎo)體光放大器（SOA）失效是指在電源工作過(guò)程中，由于MOS管上同時(shí)疊加了異常大的電流和電壓而引起的損傷模式。或者，芯片、散熱器和封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致熱量積聚，并且連續(xù)熱產(chǎn)生導(dǎo)致溫度超過(guò)由于熱擊穿模式而導(dǎo)致的氧化物層的極限。

SOA失效的預(yù)防措施：確保在最壞的情況下，MOS管的所有功率限制都在SOA限制線之內(nèi)；OCP功能必須精確、詳細(xì)。