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1、MOS器件的基本知識
MOS是MOSFET的縮寫，全稱金屬-氧化物半導體場效應晶體管。MOS管可分為增強型和耗盡型，增強型MOS是指：當VGS=0時，管子呈截止狀態，加上正確的VGS電壓后，載流子被吸引到G極，從而“增強”了該區域的載流子數量，形成導電溝道。耗盡型MOS是指在制造過程中，預先往絕緣層中摻入大量的正離子，當VGS=0時，正離子產生的電場能在襯底中“感應”出足夠的電子，形成導電溝道。
增強型MOS通常使用正、零電壓控制，耗盡型MOS可被正、零、負三種電壓控制。目前在常規的導通開關、大功率電路應用場景中，均以增強型MOS為主；而有些放大電路、高頻電路則會選擇耗盡型MOS。本文主要以增強型MOS為例，向大家介紹該器件的特性及其使用案例。
1.1 增強型NMOS
當VGS大于VGS(th)，DS極就會導通，適合用于S極接地的情況（低端驅動）。VGS(th)一般為4V、10V等，由制造工藝決定，具體可參照器件的規格手冊。
1.2 增強型PMOS
當VGS小于一定的電壓值，DS極就會導通，適合用于S極接正電源的情況（高端驅動）。雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于其導通電阻大、價格貴、替換種類少等原因，在大部分應用中通常還是使用NMOS。
圖1
2、MOS器件的參數說明
2.1 VDS
對MOS管進行選型時，必須確定D極至S極在使用期間可能承受的最大電壓，為防止MOS管失效，其額定電壓VDS應當大于實際使用電壓的最大值。當然額定電壓越大，器件的成本也就越高。
2.2 VGS
指G極和S極之間的耐壓值，對于同一個管子，VGS一般小于VDS。在實際使用中，GS極之間通常會并聯一個穩壓二極管。
2.3 VGS(th)
MOS開始導通的輸入電壓值，也稱為開啟電壓。以NMOS為例，當0＜VGS＜VGS(th)時，G極和襯底之間就會形成電場，將靠近G端的多子空穴向下方排斥，出現一層薄薄的負離子耗盡層，同時吸引其中的少子向表層運動，但數量有限，D極和S極還不能完全導通。當VGS＞VGS(th)時，由于此時的G極電壓比較強，在靠近G極下方聚集了較多的電子，形成溝道，D極和S極也就導通了。
2.4 ID
場效應管正常工作時，漏極和源極之間所允許通過的最大電流稱為ID。超出這個電流，將對MOS產生不可恢復的物理性損壞。
2.5 RDS(on)
在特定的VGS、結溫及ID電流的條件下，MOS導通時D、S極間的最大阻抗稱為RDS(on)。它是一個非常重要的參數，決定了MOS導通時的消耗功率以及發熱程度。若選型錯誤，有概率導致MOS在極限工作的情況下失效。此參數一般會隨VGS的增大而減小、隨結溫的上升而增大。
圖2
2.6 結溫
結溫是MOS器件內部的實際工作溫度，它通常較封裝外殼溫度更高，兩者的溫差等于其間的熱阻RθJC（單位是℃/W）乘上功率，功率又和上述RDS(on)、ID息息相關。計算時，我們一般認為外殼的散熱較好，約等于室溫，即MOS內部溫度≈RθJC*功率+室溫。結溫的上限通常為150~175℃，具體可參照器件的手冊。
2.7 熱阻RθJC
MOS的參數RθJC和制造工藝相關，單位是℃/W，在計算結溫時，RθJC需要乘上一個系數。當電流持續不斷時，系數等于1；當電流是脈沖性時，系數小于1，具體可根據下圖進行查看，不同MOS的曲線圖都會有所差異。
圖3
2.8 SOA
SOA（Safe Operation Area）安全工作區是由一系列（電壓，電流）坐標點形成的二維區域，MOS開關器件正常工作時的電壓和電流都不會超過該區域。簡單的講，只要MOS器件工作在SOA區域內就是安全的，超過這個區域就存在危險。功率MOS管的安全工作區包含了4個參數：最大單次脈沖電流IDmax，最大耐壓VDSmax，最大允許功耗Pmax和極限時間t。
圖4
3、MOS燒管的案例1分享
3.1 問題描述：
某塊電池保護板，在進行大電流放電、直至電芯電壓低于過放電壓的實驗操作后，理論上保護板會對MOS進行關管的操作，防止電芯產生不可逆的損壞，但實際的測試結果是：MOS依舊導通。引起該問題的原因可能有兩種：一是軟件策略有BUG，沒有進行關管的動作；二是MOS管損壞并呈現短路的狀態，導致軟件無法關管。
3.2 原因分析：
拆開電池包，發現其中一個放電MOS發燙（放電MOS一共并聯了4個），下方絕緣墊片被燙變形，基本可以判定是MOS損壞引起的問題。為了進一步確認，從板子上拆下這1個MOS器件，使用萬用表測量，D、S極的確已經短路，其他并聯的MOS沒有異常，因此只有1個MOS出現了失效。
3.3 場景復現：
將損壞的1個MOS拆下后，然后換上新的MOS（新MOS的物料批次和原本的MOS不同，這個可以從絲印上看出），裝好電芯，重新大電流放電至過放狀態，發現還是這個位置的MOS損壞。
重復上述實驗，問題穩定復現，并且不管怎么變換位置，損壞的永遠都是新換的那1個MOS。
再將4個放電MOS都更換成同一個批次，裝好電芯，重復操作，問題不再出現。
3.4 理論分析
根據上述復現場景，問題基本可以被定義為MOS的本身的參數不同?？赡苁钱旈_管信號到來時，其中1個個MOS最先導通、其他3個慢導通，或者說其中1個MOS內阻很小、其他3個內阻較大，外部瞬間大電流都由1個MOS扛，扛不住就損壞了。
但是！在使用示波器測試GS壓差時，發現每次正式開管之前都會有一個毛刺，如下圖所示（此時用的是4個同批次的MOS，因此下圖并未出現燒管問題，注：黃色是GS壓差，藍色是DS壓差，紫紅色是電流）：
圖5
可以看到在圖片綠圈圈出來的地方，GS壓差大概5V不到一點（該MOS正常導通的條件是VGS>10V），說明放電MOS處于半導通狀態。在這種異常的場景下，半導通內阻很大、并且外部又是大電流狀態的話，MOS非常容易被擊穿損壞。
針對上述現象，將MOS換回原來極易復現問題的3個，再加1個新MOS，同時使用上位機監控放電MOS的輸出電壓：發現在毛刺產生之后，MOS馬上導通，但這又在軟件開管之前。說明在毛刺到來之后、軟件開管信號到來之前的這段時間里，MOS就已經損壞了。
圖6
3.5 解決對策：
進一步查找毛刺產生的原因，發現是MOS的G極控制不穩定，在軟件進行開管之前，硬件會有一個引腳接GND的校驗過程，就是這個過程干擾了G極的電平，產生了半導通的狀態，而此時外部又是大電流放電狀態，最終導致了MOS的燒毀。
通過這個案例，我們知道了幾個要點：一是并聯的多對MOS必須是同一批次的，否則參數的不一致會導致某個MOS極易出現損壞；二是VGS電壓如果不滿足完全導通的條件，又強行進行大電流放電的話，MOS也會因為內阻太大過熱而損壞。
4、MOS燒管的案例2分享
4.1 問題描述：
某塊電池保護板，在進行短路測試時，MOS冒煙燒毀。并且不是個例，對多塊板子進行實驗，都是相同的結果。
圖7
4.2 原因分析：
從理論上分析，MOS短路損壞有以下幾個因素，我們逐一對其進行分析，基本鎖定在“硬件問題-物料問題-結溫過高擊穿MOS”上，因為更換參數性能更好的MOS或者縮短MOS 的關斷時間后，問題不再復現，下面將通過實驗現象和理論計算驗證該猜想。
圖8
4.3 場景復現：
搭建MOS損壞和MOS正常工作的兩個實驗環境，使用示波器抓取MOS的VDS、VGS和ID信號，注：黃色是GS壓差，藍色是DS壓差，紅色是電流。
圖9是MOS損壞的波形圖，可以看到短路之后，軟件有進行關管操作，紅色的電流曲線也在慢慢下降，只是到最后的時刻，MOS被擊穿，電流又迅速回升。
圖10是MOS正常工作的波形圖，該電路縮短了MOS 的關斷時間，對比圖9和圖10，關斷時間從124us減小至82.4us，MOS不再損壞。
為什么關斷時間縮短之后，MOS就不會損壞了呢？下面將從理論上進行分析和計算。
圖9
圖10
4.4 理論分析1
先說明一下MOS損壞的實驗條件：電芯電壓=56V，短路瞬間經過單個MOS的瞬間最大電流=234A，MOS關斷時間=124us。
MOS從開始關斷到完全關斷的這段時間里（124us），電流從最大逐漸減小至0、VDS電壓從0逐漸增大至最大，因此電流*電壓的功率值如下圖綠線所示，最大功率Pmax=0.5*Vmax*0.5*Imax。為了預留一定的余量，我們認為整個短路過程功率P一直等于Pmax，即下方紅色方框。
圖11
根據規格書的SOA圖，橫坐標選擇28V，縱坐標選擇117A，相交的點大約在100us，即在P=0.5*56V*0.5*234A的功率下，MOS只能正常工作100us，超過100us就有損壞的風險。這個結果也可以說明為什么120us的關斷時間MOS扛不住，而80us的關斷時間MOS可以扛住。
圖12
4.5 理論分析2
如果還要進一步深挖，可以從結溫解釋SOA曲線下為什么MOS會被擊穿。
查看板上MOS器件的規格書，可以看到該MOS的RθJC =0.68℃/W。
已知短路時間=255us；關斷時間最大=120us、最小=80us。
圖13是短路255us的熱阻系數，約為0.14*0.68℃/W=0.0952℃/W。
圖14是關斷120us的熱阻系數，約為0.06*0.68℃/W=0.0408℃/W。
圖15是關斷80us的熱阻系數，約為0.045*0.68℃/W=0.0306℃/W。
圖13
圖14
圖15
短路255us的溫升：
0. 0952℃/W*I*I*R=0.0952℃/W *234A*234A*0.0035R=18.24℃
關斷120us的溫升：
0.0408℃/W*Pmax=0.0408℃/W *56V/2*234A/2=133.28℃
關斷80us的溫升：
0.0306*Pmax=99.96℃
假設環境溫度=40℃。
120us的關斷時間，瞬間結溫=40℃+18.24℃+133.28℃=191.52℃
80us的關斷時間，瞬時結溫=40℃+18.24℃+99.96℃=158.2℃
該MOS規格書標注的最大結溫=175℃，所以從理論上解釋了120us不能扛住、80us可以扛住。
4.6 解決對策：
解決上述問題的方法有三個：一是更換參數性能更好的MOS；二是縮短MOS的關斷時間；三是并聯更多的MOS器件。三個方法后面都有做實驗的測試，并且驗證是可行的。
5、結語
??????從上面的兩個案例可以看出，MOS器件在選型上非常重要，每一個參數都要符合實際的使用場景，否則極易出現燒管的現象。
審核編輯：黃飛
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工商網監
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