MOS管为什么会冒烟烧毁？MOS烧管的案例2分享

1、MOS器件的基本知识

MOS是MOSFET的缩写，全称金属-氧化物半导体场效应晶体管。MOS管可分为增强型和耗尽型，增强型MOS是指：当VGS=0时，管子呈截止状态，加上正确的VGS电压后，载流子被吸引到G极，从而“增强”了该区域的载流子数量，形成导电沟道。耗尽型MOS是指在制造过程中，预先往绝缘层中掺入大量的正离子，当VGS=0时，正离子产生的电场能在衬底中“感应”出足够的电子，形成导电沟道。

增强型MOS通常使用正、零电压控制，耗尽型MOS可被正、零、负三种电压控制。目前在常规的导通开关、大功率电路应用场景中，均以增强型MOS为主；而有些放大电路、高频电路则会选择耗尽型MOS。本文主要以增强型MOS为例，向大家介绍该器件的特性及其使用案例。

1.1 增强型NMOS

当VGS大于VGS(th)，DS极就会导通，适合用于S极接地的情况（低端驱动）。VGS(th)一般为4V、10V等，由制造工艺决定，具体可参照器件的规格手册。

1.2 增强型PMOS

当VGS小于一定的电压值，DS极就会导通，适合用于S极接正电源的情况（高端驱动）。虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于其导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因，在大部分应用中通常还是使用NMOS。

图1

2、MOS器件的参数说明

2.1 VDS

对MOS管进行选型时，必须确定D极至S极在使用期间可能承受的最大电压，为防止MOS管失效，其额定电压VDS应当大于实际使用电压的最大值。当然额定电压越大，器件的成本也就越高。

2.2 VGS

指G极和S极之间的耐压值，对于同一个管子，VGS一般小于VDS。在实际使用中，GS极之间通常会并联一个稳压二极管。

2.3 VGS(th)

MOS开始导通的输入电压值，也称为开启电压。以NMOS为例，当0＜VGS＜VGS(th)时，G极和衬底之间就会形成电场，将靠近G端的多子空穴向下方排斥，出现一层薄薄的负离子耗尽层，同时吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，D极和S极还不能完全导通。当VGS＞VGS(th)时，由于此时的G极电压比较强，在靠近G极下方聚集了较多的电子，形成沟道，D极和S极也就导通了。

2.4 ID

场效应管正常工作时，漏极和源极之间所允许通过的最大电流称为ID。超出这个电流，将对MOS产生不可恢复的物理性损坏。

2.5 RDS(on)

在特定的VGS、结温及ID电流的条件下，MOS导通时D、S极间的最大阻抗称为RDS(on)。它是一个非常重要的参数，决定了MOS导通时的消耗功率以及发热程度。若选型错误，有概率导致MOS在极限工作的情况下失效。此参数一般会随VGS的增大而减小、随结温的上升而增大。

图2

2.6 结温

结温是MOS器件内部的实际工作温度，它通常较封装外壳温度更高，两者的温差等于其间的热阻RθJC（单位是℃/W）乘上功率，功率又和上述RDS(on)、ID息息相关。计算时，我们一般认为外壳的散热较好，约等于室温，即MOS内部温度≈RθJC*功率+室温。结温的上限通常为150~175℃，具体可参照器件的手册。

2.7 热阻RθJC

MOS的参数RθJC和制造工艺相关，单位是℃/W，在计算结温时，RθJC需要乘上一个系数。当电流持续不断时，系数等于1；当电流是脉冲性时，系数小于1，具体可根据下图进行查看，不同MOS的曲线图都会有所差异。

图3

2.8 SOA

SOA（Safe Operation Area）安全工作区是由一系列（电压，电流）坐标点形成的二维区域，MOS开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。简单的讲，只要MOS器件工作在SOA区域内就是安全的，超过这个区域就存在危险。功率MOS管的安全工作区包含了4个参数：最大单次脉冲电流IDmax，最大耐压VDSmax，最大允许功耗Pmax和极限时间t。

图4

3、MOS烧管的案例1分享

3.1 问题描述：

某块电池保护板，在进行大电流放电、直至电芯电压低于过放电压的实验操作后，理论上保护板会对MOS进行关管的操作，防止电芯产生不可逆的损坏，但实际的测试结果是：MOS依旧导通。引起该问题的原因可能有两种：一是软件策略有BUG，没有进行关管的动作；二是MOS管损坏并呈现短路的状态，导致软件无法关管。

3.2 原因分析：

拆开电池包，发现其中一个放电MOS发烫（放电MOS一共并联了4个），下方绝缘垫片被烫变形，基本可以判定是MOS损坏引起的问题。为了进一步确认，从板子上拆下这1个MOS器件，使用万用表测量，D、S极的确已经短路，其他并联的MOS没有异常，因此只有1个MOS出现了失效。

3.3 场景复现：

将损坏的1个MOS拆下后，然后换上新的MOS（新MOS的物料批次和原本的MOS不同，这个可以从丝印上看出），装好电芯，重新大电流放电至过放状态，发现还是这个位置的MOS损坏。

重复上述实验，问题稳定复现，并且不管怎么变换位置，损坏的永远都是新换的那1个MOS。

再将4个放电MOS都更换成同一个批次，装好电芯，重复操作，问题不再出现。

3.4 理论分析

根据上述复现场景，问题基本可以被定义为MOS的本身的参数不同。可能是当开管信号到来时，其中1个个MOS最先导通、其他3个慢导通，或者说其中1个MOS内阻很小、其他3个内阻较大，外部瞬间大电流都由1个MOS扛，扛不住就损坏了。

但是！在使用示波器测试GS压差时，发现每次正式开管之前都会有一个毛刺，如下图所示（此时用的是4个同批次的MOS，因此下图并未出现烧管问题，注：黄色是GS压差，蓝色是DS压差，紫红色是电流）：

图5

可以看到在图片绿圈圈出来的地方，GS压差大概5V不到一点（该MOS正常导通的条件是VGS>10V），说明放电MOS处于半导通状态。在这种异常的场景下，半导通内阻很大、并且外部又是大电流状态的话，MOS非常容易被击穿损坏。

针对上述现象，将MOS换回原来极易复现问题的3个，再加1个新MOS，同时使用上位机监控放电MOS的输出电压：发现在毛刺产生之后，MOS马上导通，但这又在软件开管之前。说明在毛刺到来之后、软件开管信号到来之前的这段时间里，MOS就已经损坏了。

图6

3.5 解决对策：

进一步查找毛刺产生的原因，发现是MOS的G极控制不稳定，在软件进行开管之前，硬件会有一个引脚接GND的校验过程，就是这个过程干扰了G极的电平，产生了半导通的状态，而此时外部又是大电流放电状态，最终导致了MOS的烧毁。

通过这个案例，我们知道了几个要点：一是并联的多对MOS必须是同一批次的，否则参数的不一致会导致某个MOS极易出现损坏；二是VGS电压如果不满足完全导通的条件，又强行进行大电流放电的话，MOS也会因为内阻太大过热而损坏。

4、MOS烧管的案例2分享

4.1 问题描述：

某块电池保护板，在进行短路测试时，MOS冒烟烧毁。并且不是个例，对多块板子进行实验，都是相同的结果。

图7

4.2 原因分析：

从理论上分析，MOS短路损坏有以下几个因素，我们逐一对其进行分析，基本锁定在“硬件问题-物料问题-结温过高击穿MOS”上，因为更换参数性能更好的MOS或者缩短MOS 的关断时间后，问题不再复现，下面将通过实验现象和理论计算验证该猜想。

图8

4.3 场景复现：

搭建MOS损坏和MOS正常工作的两个实验环境，使用示波器抓取MOS的VDS、VGS和ID信号，注：黄色是GS压差，蓝色是DS压差，红色是电流。

图9是MOS损坏的波形图，可以看到短路之后，软件有进行关管操作，红色的电流曲线也在慢慢下降，只是到最后的时刻，MOS被击穿，电流又迅速回升。

图10是MOS正常工作的波形图，该电路缩短了MOS 的关断时间，对比图9和图10，关断时间从124us减小至82.4us，MOS不再损坏。

为什么关断时间缩短之后，MOS就不会损坏了呢？下面将从理论上进行分析和计算。

图9

图10

4.4 理论分析1

先说明一下MOS损坏的实验条件：电芯电压=56V，短路瞬间经过单个MOS的瞬间最大电流=234A，MOS关断时间=124us。

MOS从开始关断到完全关断的这段时间里（124us），电流从最大逐渐减小至0、VDS电压从0逐渐增大至最大，因此电流*电压的功率值如下图绿线所示，最大功率Pmax=0.5*Vmax*0.5*Imax。为了预留一定的余量，我们认为整个短路过程功率P一直等于Pmax，即下方红色方框。

图11

根据规格书的SOA图，横坐标选择28V，纵坐标选择117A，相交的点大约在100us，即在P=0.5*56V*0.5*234A的功率下，MOS只能正常工作100us，超过100us就有损坏的风险。这个结果也可以说明为什么120us的关断时间MOS扛不住，而80us的关断时间MOS可以扛住。

图12

4.5 理论分析2

如果还要进一步深挖，可以从结温解释SOA曲线下为什么MOS会被击穿。

查看板上MOS器件的规格书，可以看到该MOS的RθJC =0.68℃/W。

已知短路时间=255us；关断时间最大=120us、最小=80us。

图13是短路255us的热阻系数，约为0.14*0.68℃/W=0.0952℃/W。

图14是关断120us的热阻系数，约为0.06*0.68℃/W=0.0408℃/W。

图15是关断80us的热阻系数，约为0.045*0.68℃/W=0.0306℃/W。

图13

图14

图15

短路255us的温升：

0. 0952℃/W*I*I*R=0.0952℃/W *234A*234A*0.0035R=18.24℃

关断120us的温升：

0.0408℃/W*Pmax=0.0408℃/W *56V/2*234A/2=133.28℃

关断80us的温升：

0.0306*Pmax=99.96℃

假设环境温度=40℃。

120us的关断时间，瞬间结温=40℃+18.24℃+133.28℃=191.52℃

80us的关断时间，瞬时结温=40℃+18.24℃+99.96℃=158.2℃

该MOS规格书标注的最大结温=175℃，所以从理论上解释了120us不能扛住、80us可以扛住。

4.6 解决对策：

解决上述问题的方法有三个：一是更换参数性能更好的MOS；二是缩短MOS的关断时间；三是并联更多的MOS器件。三个方法后面都有做实验的测试，并且验证是可行的。

5、结语

      从上面的两个案例可以看出，MOS器件在选型上非常重要，每一个参数都要符合实际的使用场景，否则极易出现烧管的现象。

审核编辑：黄飞