何種應(yīng)用條件要考慮MOSFET雪崩能量

1、何種應(yīng)用條件要考慮 MOSFET 崩能量在功率 MOSFETJ 數(shù)據(jù)表中，通常包括單脈沖雪崩能量 EAS 雪崩電流 IAR,重復(fù)脈沖雪崩能量 EAR 等參數(shù)，而許多電子工程師在設(shè)計電源系統(tǒng)的過程中，很少考慮到這些參數(shù)與電源系統(tǒng)的應(yīng)用有什么樣的聯(lián)系，如何在實際的應(yīng)用中評定這些參數(shù)對其的影響，以及在哪些應(yīng)用條件下需要考慮這些參數(shù)。這里將論述這些問題，同時探討功率 MOSFE 在非鉗位感性開關(guān)條件下的工作狀態(tài)。EASIAR 和 EAR 的定義及測量MOSFETJ 雪崩能量與器件的熱性能和工作狀態(tài)相關(guān)，其最終的表現(xiàn)就是溫度的上升，而溫度上升與功率水平和硅片封裝的熱性能相關(guān)。功率半導(dǎo)體對快速功率脈沖（時

2、間為 100200s）的熱響應(yīng)可以由式 1 說明：其中，A 是硅片面積，K 常數(shù)與硅片的熱性能相關(guān)。由式（1）得:其中，tav 是脈沖時間。當(dāng)長時間在低電流下測量雪崩能量時，消耗的功率將使器件的溫度升高，器件的失效電流由其達到的峰值溫度所決定。如果器件足夠牢靠，溫度不超過最高的允許結(jié)溫，就可以維持測量。在此過程內(nèi)，結(jié)溫通常從 25c 增加到 TJMAX 外部環(huán)境溫度恒定為 25C,電流通常設(shè)定在 ID 的 60%雪崩電壓 VAV 大約為 1.3 倍器件額定電壓。雪崩能量通常在非鉗位感性開關(guān) UIS 條件下測量。其中，有兩個值 EAS 和 EAREAS 為單脈沖雪崩能量，定義了單次雪崩狀態(tài)下器件

3、能夠消耗的最大能量；EAR 為重復(fù)脈沖雪崩能量。雪崩能量依賴于電感值和起始的電流值。圖 1 為 VDD耦的 EAS 測量電路及波形。其中，驅(qū)動 MOSFETSQ1,待測量的 MOSFETSDUTL 為電感，D 為續(xù)流管。待測量的MOSFE 和驅(qū)動 MOSFE 同時導(dǎo)通，電源電壓 VDDW 在電感上，電感激磁，其電流線性上升，經(jīng)導(dǎo)通時間 tp后，電感電流達到最大值；然后待測量的 MOSFETA 驅(qū)動 MOSFE 何時關(guān)斷，由于電感的電流不能突變，在切換的瞬間，要維持原來的大小和方向，因此續(xù)流二極管 D 導(dǎo)通。圖 1VDD 去耦的 EAS 測量圖月二！p工-月2幻2K,短(2)由于 MOSFET

4、勺 DS 之間有寄生電容，因此，在 D 導(dǎo)通續(xù)流時，電感 L 和 CDS 形成諧振回路，L 的電流降低使 CDS的電壓上升，直到電感的電流為 0,D 自然關(guān)斷，L 中儲存的能量應(yīng)該全部轉(zhuǎn)換到 CDS 中。如果電感 L 為 0.1mH,IAS=10A,CDS=1nF 理論上，電壓 VDS 為CDSVDS2=LIAS2(3)VDS=3100V這樣高的電壓值是不可能的，那么為什么會有這樣的情況？從實際的波形上看，MOSFET 勺 DS 區(qū)域相當(dāng)于一個反并聯(lián)的二極管。由于這個二極管兩端加的是反向電壓，因此處于反向工作區(qū)，隨著 DS 的電壓 VDS 增加，增加到接近于對應(yīng)穩(wěn)壓管的鉗位電壓也就是 V(BR

5、)DSS 時，VDS 的電壓就不會再明顯的增加，而是維持在 V(BR)DSS 值基本不變，如圖1 所示。此時，MOSFE 五作于雪崩區(qū)，V(BR)DSS 就是雪崩電壓，對于單次脈沖，加在 MOSFE 止的能量即為雪崩能量EASEAS=LIAS2/2(4)同時，由于雪崩電壓是正溫度系數(shù)，當(dāng) MOSFE 內(nèi)部的某些單元溫度增加，其耐壓值也增加，因此，那些溫度低的單元自動平衡，流過更多的電流以提高溫度從而提高雪崩電壓。另外，測量值依賴于雪崩電壓，而在去磁期間，雪崩電壓將隨溫度的增加而變化。在上述公式中，有一個問題，那就是如何確定 IAS?當(dāng)電感確定后，是由 tp 來確定的嗎？事實上，對于一個 MOS

6、FET器件，要首先確定 IAS。如圖 1 所示的電路中，電感選定后，不斷地增加電流，直到將 MOSFETS 全損壞，然后將此時的電流值除以 1.2 或 1.3,即降額 70 麻 80%所得到的電流值即為 IAS。注意到 IAS 和 L 固定后，tp 也是確定的。過去，傳統(tǒng)的測量 EAS 的電路圖和波形如圖 2 所示。注意到，VDS 最后的電壓沒有降到 0,而是 VDD 也就是有部分的能量沒有轉(zhuǎn)換到雪崩能量中。圖 2 傳統(tǒng)的 EAS 測量圖在關(guān)斷區(qū)，圖 2(b)對應(yīng)的三角形面積為能量，不考慮 VDD 去磁電壓為 VDS 實際的去磁電壓為 VDS-VDD 因此雪崩能量為對于一些低壓的器件，VDS-

7、VD 限得很小，引入的誤差會較大，因此限制了此測量電路的在低壓器件中的使用。目前測量使用的電感，不同的公司有不同的標(biāo)準(zhǔn)，對于低壓的 MOSFET 大多數(shù)公司開始趨向于用 0.1mH 的電感值。通常發(fā)現(xiàn)：如果電感值越大，盡管雪崩的電流值會降低，但最終測量的雪崩能量值會增加，原因在于電感增加，電流上升的速度變慢，這樣芯片就有更多的時間散熱，因此最后測量的雪崩能量值會增加。這其中存在動態(tài)熱阻和熱容的問題，以后再論述這個問題。雪崩的損壞方式圖 3 顯示了 UIS 工作條件下，器件雪崩損壞以及器件沒有損壞的狀態(tài)。圖 3UIS 損壞波形事實上，器件在 UIS 工作條件下的雪崩損壞有兩種模式：熱損壞和寄生三

8、極管導(dǎo)通損壞。熱損壞就是功率 MOSFE 在功率脈沖的作用下，由于功耗增加導(dǎo)致結(jié)溫升高，結(jié)溫升高到硅片特性允許的臨界值，失效將發(fā)生。寄生三極管導(dǎo)通損壞：在 MOSFE 內(nèi)部，有一個寄生白三極管（見圖 4）,通常三級管的擊穿電壓通常低于 MOSFET 勺電壓。當(dāng) DS 的反向電流開始流過 P 區(qū)后，Rp 和 Rc 產(chǎn)生壓降，Rp 和 Rc 的壓降等于三極管 BJT 的 VBEon）由于局部單元的不一致，那些弱的單元，由于基級電流舊增加和三級管的放大作用促使局部的三極管 BJT 導(dǎo)通，從而導(dǎo)致失控發(fā)生。此時，柵極的電壓不再能夠關(guān)斷 MOSFET圖 4 寄生三極管導(dǎo)通在圖 4 中，Rp 為源極下體內(nèi)收縮區(qū)的電阻，Rc 為接觸電阻，Rp 和 Rc 隨溫度增加而增加，射極和基極的開啟電壓 VBE隨溫度的增加而降低。因此，UIS 的能力隨度的增加而降低。圖 5UIS 損壞模式（VDD=150VL=1mH 起始溫度 25C）在什么的應(yīng)用條件下要考慮雪崩能量從上面的分析就可以知道，對于那些在 MOSFET 勺 D 和 S 極產(chǎn)生較大電壓的尖峰應(yīng)用，就要考慮器件的雪崩能量，電壓的尖峰所集中的能量主要由電感和電流所決定，因此對于反激的應(yīng)用，MOSFE 袋斷時會產(chǎn)生較大的電壓尖峰。通常的情況下，功率器件都會降額，從而留有足夠的電壓余