LLC电路的MOS管失效模式分析
功率MOS管的五种损坏模式详解
功率MOS管的五种损坏模式详解第一种：雪崩破坏如果在漏极-源极间外加超出器件额定VDSS的电涌电压，而且达到击穿电压V(BR)DSS （根据击穿电流其值不同），并超出一定的能量后就发生破坏的现象。
在介质负载的开关运行断开时产生的回扫电压，或者由漏磁电感产生的尖峰电压超出功率MOSFET的漏极额定耐压并进入击穿区而导致破坏的模式会引起雪崩破坏。
典型电路：第二种：器件发热损坏由超出安全区域引起发热而导致的。
发热的原因分为直流功率和瞬态功率两种。
直流功率原因：外加直流功率而导致的损耗引起的发热●导通电阻RDS(on)损耗（高温时RDS(on)增大，导致一定电流下，功耗增加）●由漏电流IDSS引起的损耗（和其他损耗相比极小）瞬态功率原因：外加单触发脉冲●负载短路●开关损耗（接通、断开） *（与温度和工作频率是相关的）●内置二极管的trr损耗（上下桥臂短路损耗）（与温度和工作频率是相关的）器件正常运行时不发生的负载短路等引起的过电流，造成瞬时局部发热而导致破坏。
另外，由于热量不相配或开关频率太高使芯片不能正常散热时，持续的发热使温度超出沟道温度导致热击穿的破坏。
第三种：内置二极管破坏在DS端间构成的寄生二极管运行时，由于在Flyback时功率MOSFET的寄生双极晶体管运行，导致此二极管破坏的模式。
第四种：由寄生振荡导致的破坏此破坏方式在并联时尤其容易发生在并联功率MOS FET时未插入栅极电阻而直接连接时发生的栅极寄生振荡。
高速反复接通、断开漏极-源极电压时，在由栅极-漏极电容Cgd(Crss)和栅极引脚电感Lg形成的谐振电路上发生此寄生振荡。
当谐振条件(ωL=1/ωC)成立时，在栅极-源极间外加远远大于驱动电压Vgs(in)的振动电压，由于超出栅极-源极间额定电压导致栅极破坏，或者接通、断开漏极-源极间电压时的振动电压通过栅极-漏极电容Cgd和Vgs波形重叠导致正向反馈，因此可能会由于误动作引起振荡破坏。
MOSFET失效原因深度分析，附：失效预防措施
MOSFET失效原因深度分析，附：失效预防措施作为开关电源工程师，会经常碰到电源板上MOSFET无法正常工作，首先，要正确测试判断MOSFET是否失效，然后关键是要找到失效背后的原因，并避免再犯同样的错误，本文整理了常见的MOSFET 失效的几大原因，以及如何避免失效的具体措施。
用万用表简单检测MOS管是否完好测试MOS好坏用指针式万用表方便点，测试时选择欧姆R×10K 档，这时电压可达10.5V，红笔是负电位，黑笔是正电位。
测试步骤：MOS管的检测主要是判断MOS管漏电、短路、断路、放大。
其步骤如下：1、把红笔接到MOS的源极S上，黑笔接到MOS管的漏极上，好的表针指示应该是无穷大。
如果有阻值没被测MOS管有漏电现象。
2、用一只100KΩ－200KΩ的电阻连在栅极和源极上，然后把红笔接到MOS的源极S上，黑笔接到MOS管的漏极上，这时表针指示的值一般是0，这时是下电荷通过这个电阻对MOS管的栅极充电，产生栅极电场，由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通，故万用表指针偏转，偏转的角度大，放电性越好。
3、把连接栅极和源极的电阻移开，万用表红黑笔不变，如果移开电阻后表针慢慢逐步退回到高阻或无穷大，则MOS管漏电，不变则完好。
4、然后一根导线把MOS管的栅极和源极连接起来，如果指针立即返回无穷大，则MOS完好。
----------------------------MOSFET失效的六大原因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，并且超过达到了一定的能力从而导致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。
三电平全桥LLC电路原理详解
三电平全桥LLC电路原理详解三相模块的母线电压可以达到800V，如果（DC）DC仍然采用传统的两电平拓扑，那么DC MOS管必须采用1200V耐压的MOS管。
而目前市场上这样的MOS管型号非常少，而且很贵。
如果采用三电平拓扑，就可以继续采用600V的MOS管了，型号丰富，成本也低。
三电平PWM控制已经得到了成熟应用，但是传统的PWM拓扑整体效率低，所以在三电平的基础上，又采用了LLC拓扑，该拓扑从成本、效率等方面都得到了很好的兼顾。
三电平全桥LLC主电路拓扑电路说明：1、谐振电感和谐振（电容）做成两边平衡的方式，是因为项目组在实验过程中发现如果是单Lr, Cr模式，MOS驱动（信号）容易受干扰，拆成两边对称放置以后，驱动可靠性提高；三电平全桥LLC电路拓扑示意图如图（图五‑3）所示，有8个开关管S1～S8，需要8路驱动信号来完成PFM（调频）、PWM（调宽）控制，S1～S8对应的高精度驱动信号编号为PWM1～PWM8。
注：PWM并不单指控制策略采用PWM方式时的开关信号，也包括PFM方式时的开关信号。
三电平LLC电路拓扑框图在此三电平LLC电路控制中，设计8路驱动信号PWM1～PWM8，从（图五‑4）的发波时序图来看，这8路驱动有下面的关系：1) PWM1和PWM4，PWM2和PWM3，PWM5和PWM8，PWM6和PWM7相位互补（不考虑死区时间Td2和提前关断时间Td1）；2) PWM1比PWM2提前Td1关断，PWM4比PWM3提前Td1关断，PWM5比PWM6提前Td1关断，PWM8比PWM7提前Td1关断；根据控制策略需要，PWM1～PWM8可以实现高精度PFM/PWM/PSM（或者同时实现其中两个状态，如PFM+PWM），在三种控制状态（PFM/PSM/PWM）下PWM1～PWM8在一个开关周期内的输出波形如图（图五‑4）所示，以高电平（或者为低电平）为有效电平，当PWMx（x=1～8）为高时通过相应的（驱动电路）使得Sx 导通，当PWMx为低时通过相应的驱动电路使得Sx断开。
LLC电路的MOS管失效模式分析
The secondary mosfet current
Irms_d2(Vo, λ1) := 1 ⋅
Vo⋅ n
⋅
5⋅π2 −
48⋅
1
⋅
π2
2
+
1
4 RLmin(Vo)
3 λ1 8
50
for one rectifier mosfet current or one winding current
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2010.8
1
LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
2
LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
3
For the following parameter definitions
Vout := 1 ⋅M(fsw) Vin 2n
反向恢复电流。上下管直通。导致上
下管有损坏的风险。
41
2.过载情况下（包括短路保护）MOS失效模式
1.fs>fr1,处于感性区（ZVS）
fs《fr2，处于容性区（ZCS）
fr2《fs《fr1，取决于负载。处于容性感 性区（ZVSZCS）。
ZCS=capacitive load；ZVS=Inductive load
LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
35
Optimal design LLC
1.先确定Lm的值，主要考虑， 与ZVS的实现。 2.从公式19可以看出，Lm确定后，确定了一条红色 的线。 从左边表格中，可以看出，假定要实现增益，大于 1.6。（例如，输入电压400V不变，输出电压为5080V），则必须Ln》6.
MOSFET的失效模式分析
MOSFET的失效模式分析：dV/dt失效和雪崩失效当向MOSFET施加高于绝对最大额定值BVDSS的电压时，会造成击穿并引发雪崩击穿。
发生雪崩击穿时，会流过大电流，存在MOSFET失效的危险。
MOSFET雪崩失效包括短路造成的失效和热量造成的失效。
dV/dt失效是MOSFET关断时流经寄生电容Cds的充电电流流过基极电阻RB，使寄生双极晶体管导通而引起短路从而造成失效的现象。
dV/dt是单位时间内的电压变化量，VDS的上升坡度越陡，越容易发生MOSFET的dV/dt失效问题。
一般来说，反向恢复特性越差，dV/dt的坡度越陡，越容易产生MOSFET的dV/dt失效。
什么是雪崩击穿当向MOSFET施加高于绝对最大额定值BVDSS的电压时，就会发生击穿。
当施加高于BVDSS的高电场时，自由电子被加速并带有很大的能量。
这会导致碰撞电离，从而产生电子-空穴对。
这种电子-空穴对呈雪崩式增加的现象称为“雪崩击穿”。
在这种雪崩击穿期间，与MOSFET内部二极管电流呈反方向流动的电流称为“雪崩电流IAS”，参见下图（1）。
MOSFET的雪崩失效电流路径示意图（红色部分）雪崩失效：短路造成的失效如上图所示，IAS会流经MOSFET的基极寄生电阻RB。
此时，寄生双极型晶体管的基极和发射极之间会产生电位差VBE，如果该电位差较大，则寄生双极晶体管可能会变为导通状态。
一旦这个寄生双极晶体管导通，就会流过大电流，MOSFET可能会因短路而失效。
雪崩失效：热量造成的失效在雪崩击穿期间，不仅会发生由雪崩电流导致寄生双极晶体管误导通而造成的短路和损坏，还会发生由传导损耗带来的热量造成的损坏。
如前所述，当MOSFET处于击穿状态时会流过雪崩电流。
在这种状态下，BVDSS被施加到MOSFET并且流过雪崩电流，它们的乘积成为功率损耗。
这种功率损耗称为“雪崩能量EAS”。
雪崩测试电路及其测试结果的波形如下图所示。
此外，雪崩能量可以通过公式（1）来表示。
llc同步整流 mos管发热后电流波形不正常
llc同步整流 mos管发热后电流波形不正常下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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MOS失效的原因分析总结
MOS失效的原因分析总结MOS管是金属（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中形成的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，随着国情的发展计算机主板、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、汽车电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失效的原因总结以下六点，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，并且超过达到了一定的能力从而导致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。
雪崩失效分析（电压失效）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、变压器反射电压、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压值并达到一定的能量限度而导致的一种常见的失效模式。
LLC短路失效分析
在t2~t3时段，MOSFET Q2施加门极信号，在t0~t1时段 剧增的谐振电流流经MOSFET Q2沟道。由于二极管D1 依然导通，该时段内谐振电感的电压为：
vL (t) + vo (t) ⋅
Np Ns
。该电压使得谐振电流ir(t)下降。然
而， vL (t) + vo (t) ⋅
Np Ns
很小，并不足以在这个时间段
© 2009 Fairchild Semiconductor Corporation
Rev. 1.0.0 • 2/16/11
4
图 10.
过载时功率MOSFET的测量波形
AN-9067
图 11.
过载时功率MOSFET的仿真波形
图 12.
过载时潜在失效模式的简化波形
图 5.
启动状态下潜在失效模式的简化波形
在t1~ t2时段，MOSFET Q1门极驱动信号关断，谐振电感 电流开始流经MOSFET Q2的体二极管，为MOSFET Q2产生 ZVS条件。这种模式下应该给MOSFET Q2施门极信号。由 于谐振电流的剧增，MOSFET Q2体二极管中的电流比正 常工作状况下大很多。导致了MOSFET Q2的P-N结上存储 更多电荷。
器和谐振电容Cr决定的最大值和最小值之间变动，如公 式1、2所示。
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LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
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LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
3
For the following parameter definitions
Vout := 1 ⋅M(fsw) Vin 2n
容性负载时，有反向恢复，以及Vds有电压尖峰振
荡。
42
2.过载情况下（包括短路保护）MOS失效模式
设计注意：1.确认在过载保护前，不能工 作在ZCS区（容性区）
43
44
2.过载情况下（包括短路保护）MOS失效模式
实拍波形
45
given
2⋅Irms⋅
sin(φ)
:=
−
n⋅
Vo no m ⋅ Lm
Ts 4
Ts
⌠ 2
Vonom Ts
⌡0
(Ir(t) − ILm(t)) dt :=
⋅
n⋅RL 2
Irms(Vo) := 1 ⋅
Vo
⋅
2⋅n4 RLmin(Vo)2⋅Ts2
+
2 8⋅π
8 n⋅RLmin(Vo)
Lm2
fn
2
The efficiency compared
traditiona l PWM
LLC
Primary side Mosfet
IrmsQ1(A Ploss_p
)
ri(W)
3.754
1.574
4.178
0.849
Secondary side Mosfet
IrmsQs1 Ploss_sec
(A)
(W)
Ipri=9.9A Isec=19.9A
Transformer
LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
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The parameters must be designed
the parameters need to be designed are: 1. Transformer turns ratio:n 2.magnetic inductor:Lm 3.Resonant capacitor: Cr 4.Resonant inductor ratio: Lr/Lm
Irms1(Vo, λ, Q) := 1 ⋅
Vo⋅π
⋅
1
+
λ
⋅
π2
2
2⋅ 2 n⋅RLmin(Vo)
Q 8
The primary side current
Suppose: λ1 := Q
λ
Irms2(Vo, λ1) := 1 ⋅
Vo⋅π
⋅
1+
1
⋅
π2
2
2⋅ 2 n⋅RLmin(Vo)
M(fn , λ, Q) :=
1
1
+
λ
−
λ 2
fn2
+
Q2⋅5 M ( fn , 0.2 , 1) M ( fn , 0.2 , 2) M ( fn , 0.2 , 3) M ( fn , 0.2 , 0.5) 1 M ( fn , 0.2 , 0.25) Mol ( fn , 0.2)
For the following parameter definitions
Vout := 1 ⋅M(fsw) Vin 2n
fr :=
1
2⋅π⋅ Lr⋅Cr
Zo := Lr Cr
Q := Zo Rac
λ := Lr Lm
fn := fsw fr
resonance frequency Characteristic impedance Quality factor inductance ratio normalized frequency
λ1 8
The transformer primary side current
10
Irms2(12, λ1) 8 Irms2(9, λ1) Irms2(14, λ1)
6
4
0
2
4
6
8
10
λ1
Conclusion: we must select the λ1 := Q as large as possible λ
The relation between Lm and Efficiency
When LLC works at the resonant frequency, according the working analysis, we can think ir(t) is a sin waveform
Ir(t , Irms, φ) := 2⋅Irms⋅sin(2⋅π⋅fr⋅t + φ)
Content of the seminar
1.The relation between Lm and Efficiency 2.The relation between Lm and ZVS. 3.The relation between Lm and Vin range 4.Lr,Cr design method 5.The Efficiency of LLC and traditional PWM
LLC的下管关断时， Vds并未立即上升。说 明，关断后，下管处 于二极管续流状态。 直到上管Vgs到达米勒 平台，在此瞬间，上 下管直通，产生巨大 电流18A，造成原边 MOS管失效。详细分 析如下。
38
1.启动过程中MOS失效模式
在启动的第一个周期，谐振电容和输 出电容电压均为0；V（Cr）=0，Vo （t）=0. 因此，输入电压直接对Lr冲电。因此， 电流峰值较高。
39
在下管开通期间，电流由输出电压和Cr 上的电压加在反向。但是，这个电压在 初始状态时很小，不足以让电流从负向 转成正向。当下管关断时，电流仍然为 负，即流过反并二极管。
40
1.启动过程中MOS失效模式
当此时，上管导通，由于下管电流仍
然在续流，并且续流二极管的反向恢
复能力很差。在此时产生一个巨大的
fr :=
1
2⋅π⋅ Lr⋅Cr
Zo := Lr Cr
Q := Zo Rac
λ := Lr Lm
fn := fsw fr
resonance frequency Characteristic impedance Quality factor inductance ratio normalized frequency
We can conclude that Lm ∝ Efficiency
The relation between Lm and ZVS
Make sure that
＞ n⋅Vonom⋅ Ts
2Vi n⋅ Cj
Lm 4
tdead
Cj the mosfet output cap; tdead the dead time
Lm1 < Ts⋅tdead 1 6⋅ Cj
So we can select the Lm value
The relation between Lm and Vin range
From the graph, we can see that if need high peak gain, we must select low
15.012
1.87
20.583
1.525
Transformer
Pfe
1.24 9
0.48
Pcu_p ri 0.239
0.783
Pcu_s ec 0.609
0.554
Ploss L2
0.166
PlossLr
0.786+0 .034
Ploss Cr
Effi
96.29%
0.167 96.36%
the key parameters is Lm, related to Efficiency and ZVS and the peak gain received.
λ1 := Q λ
λ1 := π2 ⋅ 1 ⋅ Pout ⋅2⋅π⋅fr⋅Lm 8 n2 Vo2
For example: Vin=48V, if we need work at 36V, so we need the peak gain=48/36
Lr, Cr design
According the above analysis, Lm=7uH,Consider using the Lm leak inductance as Lr so Lr=1uH. The frequency is fr=600kHz, so Cr can be 70nH.
LLC电路的电路工作原理 效率优化的关键 设计步骤 LLC电路中主MOS管潜在失效原因
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Optimal design LLC
1.先确定Lm的值，主要考虑， 与ZVS的实现。 2.从公式19可以看出，Lm确定后，确定了一条红色 的线。 从左边表格中，可以看出，假定要实现增益，大于 1.6。（例如，输入电压400V不变，输出电压为5080V），则必须Ln》6.
0.5
0.028
0
0.1
1
0.1
fn
10 10
一、when fs>fr , the LLC will woking in the region 1：
二、when fr2<fs<fr1，the LLC work in region 2
Summary: