标签: 失效模式

常见MOSFET失效模式的分析与解决方法 提高功率密度已经成为电源变换器的发展趋势。为达到这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系 统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(SMPS)而言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关(ZCS) 拓扑允许采用高频开关技术，可以 大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开 关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降 低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC 谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种 主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务 器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半 桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极 管的MOSFET，才能获得更高的可靠性。 【导读】提高功率密度已经成为电源 变换器 的发展 趋势 。为达到这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系 统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(S MPS )而言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关( ZC S) 拓扑允许采用高频开关技术，可以 大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开 关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降 低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC 谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种 主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务 器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半 桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极 管的 MOSFET ，才能获得更高的可靠性。 在功率变换市场中，尤其对于通信/服务器电源应用，不 断提高功率密度和追求更高效率已经成为具挑战性的 议题。对于功率密度的提高，普遍方法就是提高开关 频率，以便降低无源器件的尺寸。零电压开关(ZVS)拓 扑因具有极低的开关损耗、较低的器件应力而允许采用 高开关频率以及较小的外形，从而越来越受到青睐 。这些谐振变换器以正弦方式对能量进行处理，开 关器件可实现软开闭，因此可以大大地降低开关损耗和 噪声。在这些拓扑中，相移ZVS全桥拓扑在中、高功率 应用中得到了广泛采用，因为借助 功率MOSFET 的等效 输出 电容 和 变压器 的漏感可以使所有的开关工作在ZVS 状态下，无需额外附加辅助开关。然而，ZVS范围非常 窄，续流电流消耗很高的循环能量。近来，出现了关于 相移全桥拓扑中功率MOSFET失效问题的讨论。这种 失效的主要原因是：在低反向电压下，MSOFET体二极 管的反向恢复较慢。另一失效原因是：空载或轻载情况 下，出现Cdv/dt直通。在LLC谐振变换器中的一个潜在 失效模式与由于体二极管反向恢复特性较差引起的直通 电流相关。即使功率MOSFET的电压和电流处于安全工作区域，反向恢复dv/dt和击穿dv/dt也会在如启动、 过载和输出短路的情况下发生。 LLC谐振半桥变换器 LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有如下优势： ■宽输出调节范围，窄开关频率范围 ■ƒ即使空载情况下，可以保证ZVS ■ƒ利用所有的寄生元件，来获得ZVS LLC谐振变换器可以突破传统谐振变换器的局限。正是 由于这些原因，LLC谐振变换器被广泛应用在电源供电 市场。LLC谐振半桥变换器拓扑如图1所示，其典型波 形如图2所示。图1中，谐振电路包括电容Cr和两个与之 串联的电感Lr和Lm。作为电感之一，电感Lm表示变压器 的励磁电感，并且与 谐振电感 Lr和谐振电容Cr共同形成 一个谐振点。重载情况下，Lm会在反射负载RLOAD的作用 下视为完全短路，轻载情况下依然保持与谐振电感Lr串 联。因此，谐振频率由负载情况决定。Lr 和Cr决定谐振 频率fr1，Cr和两个电感Lr 、Lm决定第二谐振频率fr2，随 着负载的增加，谐振频率随之增加。谐振频率在由变压 器和谐振电容Cr决定的大值和小值之间变动，如公 式1、2所示。 LLC谐振变换器的失效模式 启动失效模式 图3和图4给出了启动时功率MOSFET前五个开关波形。 在变换器启动开始前，谐振电容和输出电容刚好完全放电。与正常工作状况相比，在启动过程中，这些空电容会使低端开关Q2的体二极管深度导通。因此流经开关 Q2体二极管的反向恢复电流非常高，致使当高端开关 Q1导通时足够引起直通问题。启动状态下，在体二极管 反向恢复时，非常可能发生功率MOSFET的潜在失效。 图5给出了LLC谐振半桥变换器启动时的简化波形。 图6给出了可能出现潜在器件失效的工作模式。在t0~t1时 段，谐振电感电流Ir变为正。由于MOSFET Q1处于导通 状态，谐振电感电流流过MOSFET Q1 沟道。当Ir开始上 升时，次级二极管D1导通。因此，式3给出了谐振电感 电流Ir的上升斜率。因为启动时vc(t)和vo(t)为零，所有的 输入电压都施加到谐振电感Lr的两端。这使得谐振电流剧增。 在t1~ t 2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。 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： 该电压使得谐振电流ir(t)下降。然而， 很小，并不足以在这个时间段 内使电流反向。在t3时刻，MOSFET Q2电流依然从源 极流向漏极。另外，MOSFET Q2的体二极管不会恢复，因为漏源极之间没有反向电压。下式给出了谐振 电感电流Ir的上升斜率： 在t3~t4时段，谐振电感电流经MOSFET Q2体二极管续 流。尽管电流不大，但依然给MOSFET Q2的P-N结增加 储存电荷。 在t4~t5时段，MOSFET Q1通道导通，流过非常大的直 通电流，该电流由MOSFET Q2体二极管的反向恢复电 流引起。这不是偶然的直通，因为高、低端MOSFET正 常施加了门极信号;如同直通电流一样，它会影响到该 开关电源。这会产生很大的反向恢复dv/dt，有时会击穿 MOSFET Q2。这样就会导致MOSFET失效，并且当采 用的MOSFET体二极管的反向恢复特性较差时，这种失 效机理将会更加严重。 过载失效模式 图7给出了不同负载下LLC谐振变换器的直流增益特性 曲线。根据不同的工作频率和负载可以分为三个区域。 谐振频率fr1的右侧(蓝框)表示ZVS区域，空载时小 第二谐振频率fr2的左侧(红框)表示ZCS区域，fr1和fr2 之间的可能是ZVS或者ZCS，由负载状况决定。所以紫 色的区域表示感性负载，粉色的区域表示容性负载。图 8给出了感性和容性负载下简化波形。当开关频率 fs

电容器的常见失效模式和失效机理 电容器的常见失效模式有 · 击穿短路；致命失效 · 开路；致命失效――电参数变化（包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上升等；部分功能失效 · 漏液；部分功能失效 · 引线腐蚀或断裂；致命失效 · 绝缘子破裂；致命失效 · 绝缘子表面飞弧；部分功能失效   引起电容器失效的原因是多种多样的。各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同，失效机理也各不一样。   各种常见失效模式的主要产生机理归纳如下。   失效模式的失效机理 1 引起电容器击穿的主要失效机理 ①电介质材料有疵点或缺陷，或含有导电杂质或导电粒子； ②电介质的电老化与热老化； ③电介质内部的电化学反应； ④银离子迁移； ⑤电介质在电容器制造过程中受到机械损伤； ⑥电介质分子结构改变； ⑦在高湿度或低气压环境中极间飞弧； ⑧在机械应力作用下电介质瞬时短路。   2 引起电容器开路的主要失效机理 ①引线部位发生“自愈“，使电极与引出线绝缘； ②引出线与电极接触表面氧化，造成低电平开路； ③引出线与电极接触不良； ④电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂； ⑤液体电解质干涸或冻结； ⑥机械应力作用下电介质瞬时开路。   3 引起电容器电参数恶化的主要失效机理 ①受潮或表面污染； ②银离子迁移； ③自愈效应； ④电介质电老化与热老化； ⑤工作电解液挥发和变稠； ⑥电极腐蚀； ⑦湿式电解电容器中电介质腐蚀； ⑧杂质与有害离子的作用； ⑨引出线和电极的接触电阻增大。   4 引起电容器漏液的主要原因 ①电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压上升； ②电容器金属外壳与密封盖焊接不佳； ③绝缘子与外壳或引线焊接不佳； ④半密封电容器机械密封不良； ⑤半密封电容器引线表面不够光洁； ⑥工作电解液腐蚀焊点。   5 引起电容器引线腐蚀或断裂的主要原因 ①高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀 ②电解液沿引线渗漏，使引线遭受化学腐蚀； ③引线在电容器制造过程中受到机械损伤； ④引线的机械强度不够。   6 引起电容器绝缘子破裂的主要原因 ①机械损伤； ②玻璃粉绝缘子烧结过程中残留热力过大； ③焊接温度过高或受热不均匀。   7 引起绝缘子表面飞弧的主要原因 ①绝缘子表面受潮，使表面绝缘电阻下降； ②绝缘子设计不合理； ③绝缘子选用不当； ④环境气压过低；   电容器击穿、开路、引线断裂、绝缘子破裂等使电容器完全失去工作能力的失效属致命性失效，其余一些失效会使电容不能满足使用要求，并逐渐向致命失效过渡；   电容器在工作应力与环境应力综合作用下，工作一段时间后，会分别或同时产生某些失效模式。同一失效模式有多种失效机理，同一失效机理又可产生多种失效模式。失效模式与失效机理之间的关系不是一一对应的。