开关电源中MOSFET失效案例分析
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简化后的Flyback Case 2
Vbus < Vav-Vsr
L1 R1 C1 Lm TX1 R2 C2 S1
Vsr
P1
Vbus D2
D1
Vds = Vav
Q1
简化后的Flyback Case 3
Vbus > Vav-Vsr
L1 R1 C1 Lm P1 Vbus D2 S1 TX1 C2 R2
开关电源中MOSFET失效案例分析
陈桥梁 西安龙腾新能源科技发展有限公司
主要内容
• 雪崩特性及失效分析 • 体二极管特性及失效分析 • 安全工作区及失效分析
MOSFET雪崩能力
雪崩能力
雪崩电流 IAS，IAR
寄生BJT导通，MOSFET 趋 于开通。
雪崩能量 EAS，EAR
MOSFET局部元胞过热损 坏。
D1 S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm S2 Va S1 Ir Cr Lr Lm
D1 D2
D1
D1
LLC变换器输出短路状态下波形
LLC变换器工作波形
主要内容
• 雪崩特性特性及失效分析 • 体二极管特性及失效分析 • 安全工作区及失效分析
MOSFET安全工作区（SOA）
案例：反激电源启动波形
输入电压:230Vac/50Hz, 输出：满载 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 100V/每格); 通道2: MOS 门极驱动(绿色, 5V/每格); 通道3：MOS 漏源电流(粉红,2A/每格); Time: 100μs/每格
PWM IC 1
PWM IC 2
谢谢！
重复雪崩
5
雪崩能量和初始结温以及电流的关系
雪崩电流和雪崩时间的关系
MOSFET雪崩电流路径及影响
Vac 前馈
RCD
MOV10D561
• Surge浪涌 • 输入电压突变
简化后的Flyback Case 1
L1
R1
C1 Lm P1 S1
TX1 C2
R2
Vbus D2
D1
Vds < Vav
Q1
抗雪崩能力测试电路
TJM–TC = PDM*ZθJC (t)
MOSFET雪崩能力
雪崩电流IAS和IAR :下图ID峰值 单次雪崩能量EAS：一次性雪崩期间所能承受的能量， 以Tch<=150℃ 为极限 重复雪崩能量EAR：所能承受以一定频率反复出现的雪崩能量， 以Tch<=150℃ 为极限
单次雪崩
S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm
D1 S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm S2 Va S1 Ir Cr Lr Lm
D1 D2
ห้องสมุดไป่ตู้
D1
D1
LLC变换器 ZCS状态下模态切换
S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm S2 Va S1 Ir D2 Cr Lr Lm
Channel 1：Vbus Channel 2：Vds Channel 3：Id
整改后surge电流波形 (220Vac, 1300V/90°)
主要内容
• 雪崩特性及失效分析 • 体二极管特性及失效分析 • 安全工作区及失效分析
MOSFET体二极管反向恢复电流
LLC变换器 ZVS状态下模态切换
D1
Vds = Vav
Q1
MOSFET雪崩过程中失效
图: 浪涌测试波形 输入电压:230Vac/50Hz,输出：32W 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 200V/每格); 通道2: Z2 母线电压(绿色, 200V/每格); 通道3:MOS 漏源电流(粉色, 5A/每格); Time: 10μs/每格
230Vac输入满载，启动波形 负载：2.42A-30V
输入电压:230Vac/50Hz,输出：满载 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 100V/每格); 通道2: MOS 门极驱动(绿色, 5V/每格); 通道3：MOS 漏源电流(粉红,2A/每格); Time: 100μs/每格 漏源电流=35.6A
Surge改善对策
减小BUS残压 Uinpk
改善变压器饱和度
增加变压器磁通面积 Ae
增加变压器匝数 N
减小MOSFET开通时间 Ton
变压器Core变大，和 原来的Bobbin不匹配
减小原边绕组的截面 积，增加导通损耗
减小原边激磁电感Lp， 通过略微增加气隙， 开关频率增加，开关 损耗增加
整改前surge电流波形 (220Vac, 1300V/90°)
Surge Case 3
700mA/32W LED PS Single stage Flyback
***11N70浪涌测试波形 输入电压:230Vac/50Hz,输出：32W 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 200V/每格); 通道2: Z2 母线电压(绿色, 200V/每格); 通道3:MOS 漏源电流(粉色, 5A/每格); Time: 5μs/每格 漏源电压=832V 浪涌电压1400V/90º测试波形 母线电压=805V 最大漏源电流=8.3A
230Vac输入满载，启动波形 负载：2.42A-30V
输入电压:230Vac/50Hz,输出：满载 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 100V/每格); 通道2: MOS 门极驱动(绿色, 5V/每格); 通道3：MOS 漏源电流(粉红,2A/每格); Time: 10μs/每格 漏源电流=35.6A
230Vac输入满载，启动波形 负载：2.42A-30V
输入电压:230Vac/50Hz,输出：满载 通道1: MOS 漏源电压(黄色, 100V/每格); 通道2: MOS 门极驱动(绿色, 5V/每格); 通道3：MOS 漏源电流(粉红,2A/每格); Time: 100μs/每格 漏源电流=35.6A