电源软启动电路MOS管失效原因分析_刘东.pdf

ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY电源软启动电路 MOS 管失效原因分析刘东，吕方明（南京电子技术研究所，江苏 南京210039）摘 要：MOS管具有体积小、导通电阻低等优点，在大功率电源的软启动电路中被大量地使用。以某大功率电源在工作过程中发生软启动电路MOS管损坏为案例，通过开封检查，确定该MOS管为过功率损坏。首先，建立了软启动仿真电路，分析了电路启动波形，得出了MOS管过功率损坏过程；然后，通过实验验证了仿真结果的正确性，定位到外部供电电源异常导致MOS管损坏；最后，提出了规避电源软启动电路MOS管失效的思路，对于提高电源软件启动电路MOS管的质量与可靠性具有重要的意义。关键词：软启动；金属氧化物半导体；过功率；仿真；失效分析中国分类号：TN 386.1文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0042-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.010Failure Cause Analysis of MOS in Soft Start Circuit of PowerSupplyLIU Dong，LV Fangming（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China）Abstract：MOS has the advantages of small volume and low on-resistance，so it is widely used in soft start circuit ofhigh power supply.Taking the damage of MOS of soft start circuit during the operation of a high power supply as thecase，through the opening inspection，it is confirmed that the MOS is damaged by overpower.Firstly，the soft startsimulation circuit is established，the circuit start wave row is analyzed，and the overpower damage process of MOS isobtained.Then，the correctness of the simulation results is verified through experiments，and it is found that the MOSis damaged due to the abnormal external power supply.Finally，the solution to avoid the failure of MOS in the soft startcircuit of power supply is put forward，which is of great significance to improve the quality and reliability of MOS in softcircuit of power supply.Keywords：soft start；metal oxide semiconductor；overpower；simulation；failure analysis收稿日期：2022-12-29修回日期：2023-01-13作者简介：刘东（1981），男，江苏南京人，南京电子技术研究所工程师，从事雷达系统工程化设计工作。0引言对于大功率电源1，由于输入端有大电容存在，在启动时需限制对电容充电的电流，否则会对前端供电系统造成极大的冲击2。目前，常用的方法是启动时在电路中串联一个电阻，限制对电容充电的电流，当电容两端的电压达到一定程度以后，短路限流电阻，达到电源软启动3的目的。由于MOS管具有体积小、导通电阻低和环境适应性强等优点，因此其已替代继电器在此种电路中被大量使用。但是，现有使用MOS管的软启动电路，在电源重启过程中，特定的情况下会对MOS管造成强烈的过流冲击，严重时会导致MOS管过功率损坏。按照GJB 1811986飞机供电特性标准要求，422023.06ELECTRONICS QUALITY图3软启动波形图在供电电压为70 V时，软启动电路应正常开启，因此，正常工作时，软启动电路中的MOS管在很宽的输入电压范围内都处于导通状态。由于电源的输入端具有大容量的储能电容，输入电压变化过大时，会对电源软启动电路中的MOS管带来较大的冲击电流，冲击严重时甚至会导致MOS损坏，因此，设计的电源软启动电路，需抑制冲击电流4，使软启动电路在GJB 1811986规定的电压范围内能够正常工作。本文中的大功率电源，已通过电源特性鉴定试验，满足GJB 1811986飞机供电特性标准要求，并已正常运行1年以上。在某次工作过程中，发生电源无输出故障，将电源开盖进行检查，定位到电源软启动电路中的MOS管失效。首先，对MOS管进行开盖分析，确定MOS管的失效模式；然后，对软启动电路的工作原理5进行阐述与电路仿真6-9，得出此电源发生故障的原因，并通过实验验证了仿真结果的正确性；最后，对电源的外部供电环境进行分析，得到最终导致MOS管失效的故障点，并根据MOS管的失效原因，提出了规避电源软启动电路MOS管失效的解决思路。1MOS管失效模式分析为了确定MOS管是否存在失效特征，鉴别失效模式，采用图示仪对MOS管进行电特性测试，测得的结果为G-S击穿、D-S发射衰退，耐压仅为300 V，判定MOS管失效。对失效MOS管进行开封检查，判断MOS管内部是否存在与失效模式相关的损伤或缺陷。用显微镜观察，得到MOS管内部形貌及局部放大图如图1所示。从图1中可以看出，MOS管内部芯片有表面承受过大功率后过热导致烧毁的痕迹，过高的温度使表面铝烧熔并被高温碳化后的塑料附着。根据MOS管解剖后的芯片表面烧毁形貌特征分析，样品受过功率冲击后造成MOS管的栅源击穿，器件失去栅极控制能力，MOS管失效。2软启动电路工作原理及仿真2.1 软启动电路工作原理本例电源中的软启动电路，使用了ST公司型号为STW77N65M5的MOS管作为开关，该MOS管耐压为650 V，在25 时的连续通态电流为69 A，导通电阻小于38 m，具体电路如图2所示。从图2中可以看出，电源上电时，MOS管处于关断状态，通过电阻R3对电容C2充电，电容C2上的电压逐渐上升。同时也通过电阻R1对电容C1充电，Vgs点的电压逐渐上升。当Vgs点的电压上升到4 V（典型值）左右时，MOS管导通，旁路掉电阻R3，输入电压直接对电容C2快速充电，直到电容C2上的电压等于输入电压，软启动过程结束。2.2 软启动电路上电过程仿真按照图2，在仿真软件Saber中建立仿真电路，电 路 的 输 入 电 压 为270 V直 流，电 路 中R1=400 k，R2=28 k，R3=100，C1=20 F，C2=1 500 F，其中电容C2的ESR取100 m。空载启动时各点的波形如图3所示。图1 MOS管内部形貌及局部放大图图2软启动电路原理图270 V直流输入R1VgsC2直流输出C1R231D1Q1R3221Id/At/s15.010.05.00.0-5.0VC2/V300.0250.0200.0150.0100.050.00.0Vgs/Vt/st/s0.81.01.21.41.61.815.010.05.00.0Failure Analysis失效分析43ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY从仿真波形图上看，启动时，MOS管的栅极控制电压Vgs缓慢上升，MOS管处于关断状态，电容C2通过电阻R3充电，电容两端电压VC2逐渐上升。当Vgs电压上升到4 V左右时，对应时刻VC2为150 V，此时MOS管开始导通，电容C2被以120 V的压差快速充至270 V。因此，图中ab段曲线比较缓，bc段曲线比较陡，并且只有在bc段有电流Id流过MOS管。刚上电时，电容C2相当于短路，MOS管两端的电压Vds由270 V逐渐下降，当MOS开始导通后，Vds快速下降。软启动电路启动的过程中，栅极控制电压不超过5 V，参照MOS管的输出特性图（如图4所示），MOS管在此过程中只工作在线性区和恒流区，内阻远大于饱和导通时的33 m。2.3 软启动电路欠压浪涌仿真电源启动后，输入270 V直流断开500 ms后恢复供电，软启动电路的工作波形如图5所示。直流270 V断开后，电容C2快速放电，VC2下降到0，MOS管 的 栅 极 驱 动 电 压Vgs也 开 始 放 电，500 ms后直流270 V恢复供电，此时Vgs电压为5.8 V左右，MOS管直接处于导通状态，对电容C2以270 V的压差进行快速充电，流过MOS管的电流是正常软启动时的3倍以上。由于Vgs为5.8 V，MOS管工作在恒流区，并且是以270 V的起始压差对电容C2充电，因此，充电过程中MOS管承受了很高的功率。根据图5的仿真结果，电容C2的充电时间为10 ms，充电时MOS管Vds的平均值为135 V。从厂家提供的MOS管安全工作区曲线图（如图6所示）中可以得出，MOS管在ds电压为135 V、电流为10 A时，最长只能承受10 ms的冲击，而实际流过MOS管的电流为40 A，远远超过了MOS管能承受的瞬时功率，导致MOS管过功率损坏。3测试验证使用三相程控交流源作为供电电源，电压按交流115 V交流20 V交流115 V变化，整流后的直流供给被测电源。由于前端整流二极管的存在，输入电压下降后母线电容的放电速度比仿真时的慢，但不影响测试结果。图4 MOS管输出特性图140120100806040200ID/AVgs=10 C7 V6 V5 V051015202530Vds/V图5欠压浪涌波形图Id/At/s50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.0VC2/V300.0250.0200.0150.0100.050.00.0-50.0Vgs/Vt/st/s14.515.015.516.016.517.020.015.010.05.00.0-5.0图6安全工作区10 s100 s1 ms10 msID/A1001010.10.1110100Vds/VTj=150 Tc=25 SinglepulseOperation in this area isLimited by max RDS(on)图7欠压浪涌实际测试图交流输入VgsVc2程控源控制上下电，4 s442023.06ELECTRONICS QUALITY欠压浪涌实际测试图如图7所示。从图7中可以看出，电容C2上的电压VC2逐渐下降，Vgs也随之下降，经过3.5 s以后，Vgs稳定在5 V左右，在交流115 V恢复的瞬间，由于MOS管工作在恒流区，对应的内阻很大，MOS管导通时ds两端电压约为240 V，MOS管承受不住瞬时功率冲击，gs端烧毁短路，与仿真得到的结果吻合。据此结果，查看大功率电源发生故障时外部供电设备的运行记录，设备在相应时段发生过两次欠压故障，时间间隔约4 s。第一次报A相30 V，B相55 V，C相116 V，电流均为0；第二次报A相0 V，B相19 V，C相22 V，电流均为0。4结束语在大功率电源的软启动电路中使用MOS管作为电子开关，典型电路在外部供电正常时，电路能可靠运行。本文分析、验证了电源输入存在欠压浪涌时，如短时间内重复开关机、前端供电系统电压跳变等，会导致电路中的MOS管损坏。从文中的仿真波形和实测结果可以得出造成MOS管损坏的原因为对电容充电过程中，MOS管工作在恒流区，MOS管承受的瞬时功率过大导致失效，因此，只要对MOS管的驱动电路进行改进，使其彻底关断和饱和导通两种状态，同时限制流过DS的尖峰电流，MOS管才不会过功率损坏。参考文献：1王增福，李昶，魏永明.软开关电源原理与应用M.北京：电子工业出版社，2006.2张俊杰，张文学.大功率电源上电冲击电流限制电阻的设计J.现代电子技术，2006（9）：140-141.3赵宪宁，张国海.基于MOSFET的负载开关设计与实现J.无线电工程，2015，45（6）：96-984刘增波，刘宗玉，张强，等.一种浪涌抑制电路过程分析与验证J.计算机测量与控制，2016，24（11）：265-268；272.5王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2009.6 MUKUNOKI Yasushige，NAKAMURA Yuta，HORIGUCHITakeshi，et al.Characterization and modeling of a1.2 kV30 A silicon-carbide MOSFET J.IEEE Transactions onElectronic Devices，2016，63（11）：4339-4345.7柯俊吉，赵志斌，谢宗奎，等.考虑寄生参数影响的碳化硅MOSFET开关暂态分析模型J.电工技术学报，2018，33（8）：1762-1774.8周林，李寒江，解宝，等.SiC MOSFET的Saber建模及其在光伏并网逆变器中的应用和分析J.电工技术学报，2019，34（20）：4251-42639储庆庆.一种无人值守的系统电源设计D.安徽：安徽工业大学，2020.Failure Analysis失效分析45