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輕松了解功率MOSFET的雪崩效應(yīng)

發(fā)布時(shí)間：2024-03-04 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】在關(guān)斷狀態(tài)下，功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級(jí)。

在關(guān)斷狀態(tài)下，功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級(jí)。

根據(jù)電路條件不同，在雪崩、MOSFET漏極或源極中，電流范圍可從微安到數(shù)百安。額定擊穿電壓，也可稱之為“BV”，通常是在給定溫度范圍（通常是整個(gè)工作結(jié)溫范圍）內(nèi)定義的MOSFET器件的最小阻斷電壓（例如30V）。數(shù)據(jù)表中的BVdss值是在低雪崩電流（通常為250μA或1mA）和結(jié)溫=25°C時(shí)測(cè)得的器件雪崩電壓。數(shù)據(jù)表中通常也提供結(jié)溫范圍內(nèi)的BVdss數(shù)據(jù)或BVdss溫度系數(shù)。值得注意的是，功率MOSFET雪崩電壓是結(jié)溫和雪崩電流的強(qiáng)函數(shù)。

圖1顯示了三個(gè)溫度下的BVdss值作為額定電壓為30V的器件的雪崩電流的函數(shù)。下面的表1列出了不同功率MOSFET BV額定值的典型雪崩電壓范圍——在高雪崩電流（安培）和升高的結(jié)溫（處于或接近最大額定結(jié)溫）下測(cè)量。

圖1.額定電壓為30V的MOSFET器件的雪崩電壓與結(jié)溫和雪崩電流的關(guān)系

表1.不同BV等級(jí)的高Tj和高Iav條件下的典型雪崩電壓范圍

MOSFET在雪崩條件下工作的的功率函數(shù)（雪崩電壓*雪崩電流）可以具有任何形式。本文介紹了一個(gè)特定的雪崩功率函數(shù)，它構(gòu)成了功率MOSFET數(shù)據(jù)表中雪崩額定值的基礎(chǔ)。MOSFET數(shù)據(jù)表通常在同義術(shù)語(yǔ)“UIS”或“UIL”下指定雪崩額定值，“UIS”和“UIL”分別指“非鉗位電感開(kāi)關(guān)”和“非鉗位電感負(fù)載”。也就是說(shuō)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)未鉗位負(fù)載的MOSFET關(guān)斷時(shí)，功率MOSFET雪崩額定值適用于由此產(chǎn)生的Vds和Id（這些術(shù)語(yǔ)假定為n溝道MOSFET，否則Vsd和Is適用于p溝道 MOSFET）波形。圖2顯示了基礎(chǔ)電路，圖3顯示了器件波形。接著，我們繼續(xù)假設(shè)一個(gè)n溝道MOSFET并定義如下術(shù)語(yǔ)：

. Iav=雪崩電流

. Ipk=最大雪崩電流=MOSFET關(guān)斷時(shí)的值

. Ipk (fail)=MOSFET失效時(shí)的最大雪崩電流（漏極到源極到柵極短路）

. Jpk,Jpk(fail)：Ipk值與裸芯有源面積成比例，單位為A/面積2

. 裸芯有源面積：包含有源MOSFET結(jié)構(gòu)的MOSFET裸芯面積；占總裸芯面積的某個(gè)百分比

. Vav=雪崩電壓 (Vds)。Vav在雪崩期間通常不是恒定的（因?yàn)镮av和Tj會(huì)發(fā)生變化）；Vav通常是在雪崩期間測(cè)得的平均Vds幅度

. tav=雪崩時(shí)間，通常定義為Iav從Ipk降至零所需的時(shí)間；即電感中存儲(chǔ)的能量減少到零的時(shí)間。

. Tj=MOSFFET結(jié)溫，通常簡(jiǎn)稱為裸芯表面或附近的最高溫度。

. Tj (intrinsic)=器件結(jié)變成導(dǎo)體時(shí)的MOSFET結(jié)溫（熱產(chǎn)生的載流子淹沒(méi)摻雜載流子）；在此溫度下，MOSFET通常會(huì)失效，并具有漏極到源極到柵極永久短路的特性。能量（E，或有時(shí)稱為Eav或Eas）=雪崩功率函數(shù)的時(shí)間積分；對(duì)于雪崩中的純?nèi)呛瘮?shù)，E=1/2*Vav*Ipk*tav

圖2.基本的非鉗位電感開(kāi)關(guān)關(guān)斷電路DUT（被測(cè)器件）是功率MOSFET器件。三角形表示柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖3.MOSFET DUT的非鉗位電感關(guān)斷波形能量函數(shù)是功率函數(shù)的積分

高邊功率MOSFET（見(jiàn)圖4）可能會(huì)發(fā)生雪崩，具體取決于柵極驅(qū)動(dòng)條件。如果關(guān)斷時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)器將柵極和源極電位放在一起，使 Vgs<

圖4.高邊非鉗位電感負(fù)載關(guān)斷基本電路

大多數(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)上通常不會(huì)將MOSFET關(guān)斷到未鉗位負(fù)載。但是，有些應(yīng)用在設(shè)計(jì)上確實(shí)會(huì)切換未鉗位的電感負(fù)載。例如一些燃油噴射系統(tǒng)、ABS轉(zhuǎn)儲(chǔ)線圈和低成本、低功率螺線管負(fù)載，在這些負(fù)載中可以省去鉗位二極管的成本。

更常見(jiàn)的是，應(yīng)用雪崩問(wèn)題和可能導(dǎo)致的器件失效是由PCB跡線和電纜布線的未鉗位雜散電感、電阻器和電容器的ESL以及晶體管和二極管的封裝互連電感的關(guān)斷引起的。例如因短路失效（通常由于非常高Ipk值和低tav值）而關(guān)斷，以及轉(zhuǎn)換器和逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)沖。MOSFET上的雪崩事件也可能由電源線上的瞬變引起（例如交流發(fā)電機(jī)負(fù)載突降）；雪崩操作不一定需要關(guān)斷未鉗位的電感負(fù)載。然而，根據(jù)雪崩功率函數(shù)的組成，功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的UIS (UIL)數(shù)據(jù)通?？捎糜谠u(píng)估這些雪崩事件。

通常，MOSFET UIS的性能是通過(guò)使器件樣品經(jīng)受雪崩脈沖直至失效來(lái)確定的。大多數(shù)情況下，選擇一個(gè)固定的電感值，并增加通過(guò)電感的峰值電流，直到DUT（被測(cè)器件）失效（表現(xiàn)為漏極到源極到柵極短路）。在每個(gè)Ipk增量之間允許有足夠的時(shí)間，以確保DUT結(jié)溫在下一個(gè)雪崩脈沖之前返回到初始條件。

初始結(jié)溫由烘箱、強(qiáng)制通風(fēng)或加熱塊控制。通常，UIS數(shù)據(jù)是在Tj(initial)=25 °C和至少一個(gè)升高的初始結(jié)溫（例如100°C）時(shí)收集的?？梢耘渲脺y(cè)試電路，以便DUT用于使電感負(fù)載的電流上升或連接為二極管 (Vgs=0V)，并且更高的雪崩開(kāi)關(guān)用于上升和關(guān)斷電感電流。比較圖5中的電路。在將DUT用作MOSFET開(kāi)關(guān)以使電流流入導(dǎo)體時(shí)，需要考慮兩個(gè)潛在問(wèn)題。

首先，在電流增加到Ipk的過(guò)程中，MOSFET器件正在消耗功率（通常等于I2*Rds(on)），因此該器件可能會(huì)自發(fā)熱，從而增加了關(guān)斷時(shí)的初始結(jié)溫 Tj(initial)。要緩解這一問(wèn)題，可以施加足夠的 Vgs 柵極電壓來(lái)降低 Rds(on)，并使用盡可能高的電源電壓以最小化達(dá)到Ipk所需的時(shí)間（從0A到Ipk的時(shí)間=L*Ipk/Vsupply）。第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)斷期間的柵極驅(qū)動(dòng)灌電流能力。如果器件緩慢關(guān)斷，一些存儲(chǔ)的電感器能量會(huì)在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中消耗掉。如果關(guān)斷速度足夠慢，則可以避免雪崩。一般來(lái)說(shuō)，功率MOSFET數(shù)據(jù)表UIS規(guī)范假定硬關(guān)斷事件，確保幾乎所有電感器存儲(chǔ)的能量都被雪崩操作中的MOSFET耗散。

圖5.左側(cè)電路是基本自驅(qū)動(dòng)UIS測(cè)試電路。

右側(cè)電路是另一種測(cè)試電路，其中DUT配置為二極管，次級(jí)開(kāi)關(guān)(SW)控制電感器電流。Vav(SW)>>Vav(DUT)。

收集的UIS數(shù)據(jù)是一組Ipk(fail)和幾個(gè)不同電感值的相關(guān)tav工作點(diǎn)。根據(jù)這組數(shù)據(jù)，可以生成給定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲線（見(jiàn)圖6）。數(shù)據(jù)應(yīng)該很好地?cái)M合Ipk=A*tav-α形式的功率函數(shù)，其中A是常數(shù)，α指數(shù)幅度通常約為0.5。這很重要，因?yàn)樗砻鱅pk失效操作點(diǎn)可能代表基于熱的失效。功率函數(shù)Ipk=A*tav-α可以改寫(xiě)為A(1/α)=Ipk(1/α)*tav。如果α=0.5，我們得到結(jié)果Ipk2*tav=常數(shù)。這是對(duì)機(jī)械保險(xiǎn)絲（由于材料達(dá)到熔點(diǎn)而斷開(kāi)的保險(xiǎn)絲）電流和斷開(kāi)（熔化）時(shí)間特性建模的典型表達(dá)式。從這個(gè)意義上說(shuō)，功率函數(shù)Ipk=A*Ipk-α可以指示熱失效機(jī)制。關(guān)于功率MOSFET UIS能力作為熱基失效的重要性和作用將在后面討論。

Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以生成數(shù)據(jù)表圖，可以將其視為功率MOSFET非鉗位電感關(guān)斷雪崩操作的SOA（安全工作區(qū)）（見(jiàn)圖7）。如果應(yīng)用Ipk和tav工作點(diǎn)低于Ipk vs tav曲線和曲線的初始Tj，則器件可以安全運(yùn)行。從熱管理角度來(lái)看，如果每個(gè)脈沖一開(kāi)始的結(jié)溫狀態(tài)等于或低于規(guī)定的Tj(initial)值，則可以對(duì)任意數(shù)量的雪崩脈沖執(zhí)行此操作。然而，由于HCI（熱載流子注入）機(jī)制，重復(fù)的雪崩脈沖可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET參數(shù)偏移，具體取決于器件技術(shù)和操作條件。本系列文章后續(xù)將討論“重復(fù)雪崩”。

圖6.Ipk(fail)數(shù)據(jù)作為兩個(gè)初始結(jié)溫下雪崩時(shí)間的函數(shù)

圖7.圖6的Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以形成數(shù)據(jù)表Ipk vs tav SOA圖

為了降低Ipk(fail)數(shù)據(jù)的額定值，Ipk(fail)值降低到原始值的某個(gè)百分比(X)，并且針對(duì)Ipk(fail)測(cè)量中使用的電感值的新Ipk值進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的tav由以下公式給出：tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低額定值的Ipk函數(shù)由Ipk=B*tav-α給出，其中新的降額系數(shù)B可通過(guò)以下方式計(jì)算：B=A*X*(1/X) -α，其中X是降額百分比。X值通常是保守的，業(yè)內(nèi)通常為大約50%-75%之間。

本文轉(zhuǎn)載自：安森美

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