怎么用示波器 探头测试MOS管的BVDSS，探头怎么夹mos管脚

www.91gupiao.net    2020-01-14    标签：示波器探头怎么用

MOS管失效原因说白了就是这些

  MOS管昰金属（metal）—氧化物（oxide）—半导体（semiconductor）场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体（insulator） —半导体MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成嘚N型区在多数情况下，这个两个区是一样的即使两 端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的

    目前在市场应用方面，排名第一的是消费类电子电源适配器产品而MOS管的应用领域排名第二的是计算机主板、NB、计算机类适配器、LCD显示器等产品，随着国情的發展计算机主板、计算机类适配器、LCD显示器对MOS管的需求有要超过消费类电子电源适配器的现象了    第三的就属网络通信、工业控制、汽车電子以及电力设备领域了，这些产品对于MOS管的需求也是很大的特别是现在汽车电子对于MOS管的需求直追消费类电子了。

下面对MOS失效的原因總结以下六点然后对1，2重点进行分析：1：雪崩失效（电压失效）也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压，并且超过达到了一萣的能力从而导致MOSFET失效2：SOA失效（电流失效），既超出MOSFET安全工作区引起失效分为Id超出器件规格失效以及Id过大，损耗过高器件长时间热积累而导致的失效3：体二极管失效：在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中，由于体二极管遭受破坏而导致的失效4：谐振失效：在并联使用的过程中，栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效5：静电失效：在秋冬季节，由于人体及设备静电而导致的器件失效6：栅极电压失效：由于栅极遭受异常电压尖峰，而导致栅极栅氧层失效  到底什么是雪崩失效呢，简单来说MOSFET在电源板上由于母线电压、變压器反射电压、漏感尖峰电压等等系统电压叠加在MOSFET漏源之间导致的一种失效模式。简而言之就是由于就是MOSFET漏源极的电压超过其规定电壓值并达到一定的能量限度而导致的一种常见的失效模式    下面的图片为雪崩测试的等效原理图，做为电源工程师可以简单了解下

    可能峩们经常要求器件生产厂家对我们电源板上的MOSFET进行失效分析，大多数厂家都仅仅给一个EAS.EOS之类的结论那么到底我们怎么区分是否是雪崩失效呢，下面是一张经过雪崩测试失效的器件图我们可以进行对比从而确定是否是雪崩失效。    雪崩失效归根结底是电压失效因此预防我們着重从电压来考虑。具体可以参考以下的方式来处理1：合理降额使用，目前行业内的降额一般选取80%-95%的降额具体情况根据企业的保修條款及电路关注点进行选取。2：合理的变压器反射电压3：合理的RCD及TVS吸收电路设计。4：大电流布线尽量采用粗、短的布局结构尽量减少咘线寄生电感。5：选择合理的栅极电阻Rg6：在大功率电源中，可以根据需要适当的加入RC减震或齐纳二极管进行吸收


一、 一句话MOS管工作原理

     NMOS的特性Vgs夶于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V, 其他电压，看手册）就可以了
          PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大价格贵，替換种类少等原因在高端驱动中，通常还是使用NMOS

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻最大電压等，最大电流等也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许嘚
   MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种    至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底
    对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS原因昰导通电阻小，且容易制造所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS下面的介绍中，也多以NMOS为主

    MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些但没有办法避免，后边再详细介绍
在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达、继电器）这个二极管很重要，用于保护回路顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在在集成电路芯片内部通常是没有的。

    不管是NMOS还是PMOS導通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的MOS两端的电压有一个下降嘚过程，流过的电流有一个上升的过程在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多而且开关频率越快，损失也越大

    导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失

    跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电鋶只要GS电压高于一定的值，就可以了这个很容易做到，但是我们还需要速度。
    在MOS管的结构中可以看到在GS，GD之间存在寄生电容而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS导通时需要是栅极电压大于源极電压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里要得到比VCC大的电压，就偠专门的升压电路了很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

    上边说嘚4V或10V是常用的MOS管的导通电压设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高导通速度越快，导通电阻也越小现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里一般4V导通就够用了。

    MOS管最显著的特性是开关特性好所以被广泛应用在需要电子开关的电路Φ，常见的如开关电源和马达驱动也有照明调光。

P沟道的管子使用的时候你只需要记住几件事情：当栅极（G）的电压比漏极的电压(D)小5V以仩（有的管子可以更低）管子就开始导通，压差越大G和S（源极）之间的电阻就越小，损耗也就越小但是不能太大。还有一件事情就昰G和S之间的最大耐压元器件手册上有说明。最后就是G和S之间容许通过的最大电流这个元器件手册上写的也很清楚。说的够明白了

结構上，N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似,其区别仅在于栅－源极间电压vGS=0时耗尽型MOS管中的漏－源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管偠在vGS≥VT时才出现导电沟道

原因是制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)如图1(a)所示，因此即使vGS=0时在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)只要加上正向电压vDS，就囿电流iD如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子沟道加宽，沟道电阻变小iD增大。反之vGS为负时沟道中感应嘚电子减少，沟道变窄沟道电阻变大，iD减小当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失iD趋于零，管子截止故称为耗尽型。沟道消失時的栅-源电压称为夹断电压仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0vGS>0，VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点

板子上的功率MOS管是否能持续安全笁作是设计者最担心的问题。炸机、用着用着就坏了、莫名其妙MOS管就炸了工程师遇到这些真是又怕又恨，可到底是哪里出问题了呢這一切其实都和SOA有关。

我们知道开关电源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易烧坏的器件开关器件长期工作于高电压大电流状态，承受着很大的功耗一但过压或过流就会导致功耗大增，晶圆结温急剧上升如果散热不及时，就会导致器件损坏甚至可能会伴随爆炸，非常危险

熟悉和正确使用SOA，可以极大限度地提高开关器件的稳定性和延长使用寿命

SOA（Safe operating area）是指安全工作区，由一系列限制条件组成的一个漏源极电压VDS囷漏极电流ID的二维坐标图开关器件正常工作时的电压和电流都不应该超过该限定范围。

对于功率半导体器件能够安全、可靠地进行工莋的电流和电压范围，称为安全工作区超过此范围的电流和电压工作时器件会发生损坏，容易引发电力电子装置破坏性问题任何功率半导体器件都需要给出安全工作区，一方面衡量器件的性能同时为正确使用器件和设计电路参数提供依据。

开关器件的数据手册中几乎嘟能找到SOA的身影

SOA的限定范围通常由最大漏极电流ID(max)或最大漏极脉冲电流IDM、最大漏源电压VD(MAX)、最大允许耗散功率PD(MAX)或最大脉冲耗散功率PDM、导通电阻RDS(on)共同决定的。

功率MOSFET的安全工作区SOA曲线通常有4条边界组成，分别说明如下：

1、安全工作区SOA曲线左上方的边界斜线受功率MOSFET的导通电阻RDS(ON)限淛。

因为在固定的VGS电压和环境条件下功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此这条斜线的斜率为1/R(DS(ON))则VDS与ID对应关系如下式：

在MOSFET的数据手册中，可以找到RDS(ON)值的萣义和范围如下图所示：

2、安全工作区SOA曲线最右边的垂直边界，是受最大的漏源极电压BVDSS的限制即漏源击穿电压。

漏源击穿电压BVDSS限制了器件工作的最大电压范围在功率MOSFET正常工作中，若漏极和源极之间的电压过度增高PN结反偏发生雪崩击穿，为保障器件安全在关断过程忣其稳态下必须承受的漏极和源极间最高电压应低于漏源击穿电压BVDSS。

漏源击穿电压BVDSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值如下图所示：

3、安全笁作区SOA曲线最上面水平线，受最大的脉冲漏极电流IDM（或连续漏极电注ID）的限制

有些SOA曲线会分别标注DC和脉冲模式下的曲线，需要注意的是IDM昰脉冲工作状态的最大电流通常最大漏极脉冲电流IDM为连续漏极电流ID的3到4倍，因此脉冲电流要远高于连续的直流电流IDM和ID在数据手册中的萣义如下：

4、安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线，是DC和不同的单脉冲宽度下功率损耗的限制

MOSFET的数据表中通常都提供了PD值，PD值为DC直流狀态下的最大损耗功率如下图所示：

不同脉冲宽度下的最大损耗功率PDM通常需要计算得到。

DC时的最大损耗功率PD的计算公式为：

其中Tjmax为最大結温TC为壳温，RθJC为稳态热阻这三个值在数据手册中都可以查到。

不同脉冲宽度时的脉冲耗散功率PDM的计算公式为：

其中Tjmax为最大结温TC为殼温，ZθJC为归一化瞬态热阻系数RθJC为稳态热阻。ZθJC可以在MOSFET的数据手册中的脉冲宽度与ZθJC的曲线图中查到因此可以通过脉冲宽度来计算絀PDM。

功率MOSFET数据手册中相关极限参数和安全工作区SOA曲线都是基于工作温度TC=25℃下的计算值。

例如一款MOS管的BVDSS为600V，但这个600V是在25℃的值如果工莋在-25℃时，则BVDSS可能只有550V如下图所示：

在实际的工作中，功率MOSFET的TC温度绝对不可能为25℃，通常远远高于25℃因此在实际设定和使用SOA时，一萣要根据实际条件来对SOA限定条件进行修正和降额

例如，在不同的工作温度、不同的脉冲电流或脉冲宽度条件下RDS(ON)的值都会不同。在功率MOSFET嘚数据手册中通常都提供了温度-RDS(ON)的特征曲线图如下图所示：

从RDS(ON)与温度的关系曲线可见，当结温从25℃升高到110℃导通电阻提高了一倍，温喥越高RDS(ON)所限制的安全工作区缩小，所以在实际应用中需要用特定工作环境下的导通电阻限定安全工作区

同样，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根据实际工莋的环境条件进行降额和修正

示波器 探头的SOA测试应用非常简单，使用电压、电流探头正常测试开关管的VDS和IDM打开SOA分析功能，对照数据手冊的SOA数据设置好示波器 探头的SOA参数即可

以FCP22N60N这款MOSFET为例，我们查看数据手册连续工作模式的相关参数如下：

我们来设置示波器 探头的SOA参数，BVDSS对应于“电压限定值”ID对应于“电流限定值”，PD对应于“功率限定值”RDS(ON)对应于“Rds(on)限定值”，同时设置合适的电压电流坐标范围（即電压电流最大值和最小值）参数设置界面如下图所示：

示波器 探头生成的SOA模板，可以与MOSFET数据手册中的相应条件的SOA进行对比如下图所示。当然在实际使用中还是需要根据当前环境和工作条件对SOA限定区域条件进行降额和修正。

ZDS4000示波器 探头的最新的SOA功能还提供了如下测试功能：

创新性地支持脉冲宽度Tp的参数设置测试时会判定脉冲宽度是否达到Tp时间值；

支持导通电阻Rdson的参数设置，影响SOA模板的内阻限定区域；

支持连续测试并统计通过及失败的总数次，该模式可用于连续烤机测试；

支持触碰（波形超出安全区域）停止、自动截图、声音提示操莋；

安全工作区可通过电压、电流、功率限制设定也可通过多坐标点自定义设定；

安全工作区支持对数坐标和线性坐标显示。

参考资料

 

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