MOSFET作為一種新型的功率器件,具有開關速度快,內阻低損耗小等優(yōu)點,但是如果使用不當也容易損壞。MOSFET損壞的原因主要有過壓,過流,短路,靜電,過熱,機械損壞等。
一.過壓:
MOSFET的過壓主要分為柵源極過壓和漏源極過壓。
1. 柵源極過壓:
MOSFET的柵源極之間允許的電壓(VGSS)都有一個限制,業(yè)界的一般是±20V,銳駿半導體大部分MOS管的柵源極耐壓是±25V,意味著MOSFET的柵源極之間超過這個電壓,MOSFET就有可能擊穿損壞。為了防止柵源極過壓,我們可以采取如下措施:
1).采用12-15V穩(wěn)定的電壓給MOSFET驅動芯片供電;
2).對于無法采用12-15V穩(wěn)定的電壓給MOSFET驅動芯片供電的情況下需要在柵源極之間并聯(lián)15V的穩(wěn)壓管。
2. 漏源極過壓
MOSFET的漏源極之間允許的電壓(BVDSS)都有一個限制,意味著MOSFET的漏源極之間超過這個電壓,MOSFET就有可能擊穿損壞。因此在選型的時候我們需要根據(jù)電路的電壓輸入范圍和拓撲結構來選擇MOSFET并留有一定的余量。當然,由于分布參數(shù)和變壓器漏感的影響,在MOSFET的某個工作瞬間往往會瞬間過壓,雖然MOSFET具有抗擊這種瞬間過壓不被損壞的能力,但也不能超過一定的限度,為了電路的安全,我們還是要做好保護措,一般以下幾3種:
1).采用瞬態(tài)二極管的尖峰抑制電路:
2).采用RC吸收回路:
3).采用RCD吸收回路:
二. 過流
MOSFET能承受的的電流和芯片,時間,結溫和電流都有關系,例如銳駿半導體的RU190N08R,芯片在25度時允許通過的電流為ID=190A, 在100度許通過的電流為ID=140A,但是這個只是芯片能承受的電流,當然還受封裝的限制,對于TO-220封裝來說,只允許通過75A的電流。如果是瞬間呢,在25度時,在300微秒(沒有超過安全區(qū)域)的脈沖寬度可以通過700A的IDP(峰值電流)。
在設計選型時我們要根據(jù)的上述電流參數(shù)選擇合適的MOSFET并留有一定的余量,MOSFET過流一般都是由于過流后引起結溫過高而損壞,或者是超過了安全區(qū)域導致耗散功率過大損壞。
常規(guī)的過流保護電路有:
1).采用源極串聯(lián)電流取樣電阻的過流保護電路:由圖中可以看出,U1的電流比較基準是1V,只要R3兩端的壓降超過了1V,U1就關斷PWM停止輸出,從而保護了MOSFET.
2).采用電流互感器取樣的過流保護電路:互感器取樣的特點是能過很大的電流而損耗小,但體積比較大。
三.短路
短路也可以理解為嚴重的過流,以銳駿半導體的RU190N08為例,我們來看下MOS管的安全區(qū)域:
從曲線上可以看出,當VDS=13V時,300A的電流只有1MS的時間耐量。還有規(guī)格書上標明了300US的耐電流是700A,這些都是我們設計短路保護的重要依據(jù)。比如我們設計一個24V的系統(tǒng)采用的就是單顆這個型號的MOSFET,經(jīng)過計算和測量MOSFET回路(包含供電電源的內阻)是20 mΩ,如果不限制短路電流的話,那么短路電流將達到24/20 mΩ=1200A,這個電流有可能使MOSFET在很短的時間內燒毀。所以我們需要快速地檢測MOSFET的電流比如達到300A,快速(幾十到幾百微妙)地關斷它。從而保護了MOSFET的安全。
一種典型的過流短路保護電路如下圖:
四. 靜電
MOSFET由于輸入阻抗極高,屬于容性負載,因而對靜電非常敏感,當輸入電容感應靜電到一定電壓時就有可能損壞。
防靜電的一般措施有:
1).包裝,采用防靜電袋,管腳套短路環(huán);
2).儲存環(huán)境的濕度控制,保持相對比較高的濕度可以防靜電;
3).接地,所有接觸MOSFET的設備都要有妥善的接地措施;
4).電路加入防靜電措施,如柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管;
5).操作人員的防靜電,如穿防靜電服,帶靜電環(huán)等。
五. 過熱
當MOSFET超過允許的結溫時很容易縮短使用壽命,甚至很快燒毀,所以在選型時需要預留值比較大,并設計過熱保護電路。
一般的過熱保護電路由熱敏電阻做溫度檢測,如PTC,超過一定溫度,PTC的電阻會上升很多,如果在PTC上通過一個電流,其兩端的電壓也會上升很多,我們可以用比較器設定一個基準電平,超過這個基準電平,比較器就會發(fā)出一個高或地電平關斷MOSFET,這就是典型的溫度保護的原理,其典型的電路如下:
六. 機械損壞
由于芯片和管殼的彈性系數(shù)不同,雖然在管殼螺絲孔和芯片之間加了機械應力緩沖措施,當它們封裝成一個整體后,還是不能超過一定的機械應力,比如對于TO-220封裝在打螺絲時,(電動)螺絲刀的扭力不應超過6KG.