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MOSFET的UIS及雪崩能量解析

發(fā)布時間:2011-07-14

中心議題:

  • EAS,IAR和EAR的定義及測量
  • UIS條件下器件的雪崩損壞方式
  • 考慮雪崩能量的應(yīng)用條件

解決方案:

  • 測量EAS,IAR和EAR
  • 分析需考慮雪崩能量的應(yīng)用條件


在功率的數(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)。本文將論述這些問題,同時探討功率MOSFET在非鉗位感性開關(guān)條件下的工作狀態(tài)。

EAS,IAR和EAR的定義及測量

MOSFET的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(時間為100~200μs)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(dá)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25℃增加到TJMAX,外部環(huán)境溫度恒定為25℃,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EAR,EAS為單脈沖雪崩能量,定義了單次雪崩狀態(tài)下器件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去耦的EAS測量電路及波形。其中,驅(qū)動MOSFET為Q1,待測量的MOSFET為DUT,L為電感,D為續(xù)流管。待測量的MOSFET和驅(qū)動MOSFET同時導(dǎo)通,電源電壓VDD加在電感上,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(dá)到最大值;然后待測量的MOSFET和驅(qū)動MOSFET同時關(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。

由于MOSFET的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上的電壓上升,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。
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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的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)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,MOSFET工作于雪崩區(qū),V(BR)DSS就是雪崩電壓,對于單次脈沖,加在MOSFET上的能量即為雪崩能量EAS

EAS=LIAS2/2                 (4)

同時,由于雪崩電壓是正溫度系數(shù),當(dāng)MOSFET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MOSFET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MOSFET完全損壞,然后將此時的電流值除以1.2或1.3,即降額70%或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。

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-VDD變得很小,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)。

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事實上,器件在UIS工作條件下的雪崩損壞有兩種模式:熱損壞和寄生三極管導(dǎo)通損壞。熱損壞就是功率MOSFET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MOSFET內(nèi)部,有一個寄生的三極管(見圖4),通常三級管的擊穿電壓通常低于MOSFET的電壓。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IB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。

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。

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的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,MOSFET關(guān)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量。但是,一些電源在輸出短路時,初級中會產(chǎn)生較大的電流,加上初級電感,器件就會有雪崩損壞的可能,因此在這樣的應(yīng)用條件下,就要考慮器件的雪崩能量。

另外,由于一些電機(jī)的負(fù)載是感性負(fù)載,而啟動和堵轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生極大的沖擊電流,因此也要考慮器件的雪崩能量。
 

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