轻松了解功率MOSFET的雪崩效应

时间： 2024-05-31 来源：SLKOR（萨科微）官网

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在关断状态下，功率MOSFET的体二极管结构的设计是为了阻断最小漏极-源极电压值。MOSFET体二极管的击穿或雪崩表明反向偏置体二极管两端的电场使得漏极和源[敏感词]子之间有大量电流流动。典型的阻断状态漏电流在几十皮安到几百纳安的数量级。

根据电路条件不同，在雪崩、MOSFET漏极或源极中，电流范围可从微安到数百安。额定击穿电压，也可称之为“BV”，通常是在给定温度范围（通常是整个工作结温范围）内定义的MOSFET器件的最小阻断电压（例如30V）。数据表中的BVdss值是在低雪崩电流（通常为250μA或1mA）和结温=25°C时测得的器件雪崩电压。数据表中通常也提供结温范围内的BVdss数据或BVdss温度系数。值得注意的是，功率MOSFET雪崩电压是结温和雪崩电流的强函数。

图1显示了三个温度下的BVdss值作为额定电压为30V的器件的雪崩电流的函数。下面的表1列出了不同功率MOSFET BV额定值的典型雪崩电压范围——在高雪崩电流（安培）和升高的结温（处于或接近最大额定结温）下测量。

图1.额定电压为30V的MOSFET器件的雪崩电压与结温和雪崩电流的关系

表1.不同BV等级的高Tj和高Iav条件下的典型雪崩电压范围

MOSFET在雪崩条件下工作的的功率函数（雪崩电压*雪崩电流）可以具有任何形式。本文介绍了一个特定的雪崩功率函数，它构成了功率MOSFET数据表中雪崩额定值的基础。MOSFET数据表通常在同义术语“UIS”或“UIL”下指定雪崩额定值，“UIS”和“UIL”分别指“非钳位电感开关”和“非钳位电感负载”。也就是说，当驱动未钳位负载的MOSFET关断时，功率MOSFET雪崩额定值适用于由此产生的Vds和Id（这些术语假定为n沟道MOSFET，否则Vsd和Is适用于p沟道 MOSFET）波形。图2显示了基础电路，图3显示了器件波形。接着，我们继续假设一个n沟道MOSFET并定义如下术语：

Iav=雪崩电流

Ipk=[敏感词]雪崩电流=MOSFET关断时的值

Ipk (fail)=MOSFET失效时的[敏感词]雪崩电流（漏极到源极到栅极短路）

Jpk,Jpk(fail)：Ipk值与裸芯有源面积成比例，单位为A/面积²

裸芯有源面积：包含有源MOSFET结构的MOSFET裸芯面积；占总裸芯面积的某个百分比

Vav=雪崩电压 (Vds)。Vav在雪崩期间通常不是恒定的（因为Iav和Tj会发生变化）；Vav通常是在雪崩期间测得的平均Vds幅度

tav=雪崩时间，通常定义为Iav从Ipk降至零所需的时间；即电感中存储的能量减少到零的时间。

Tj=MOSFFET结温，通常简称为裸芯表面或附近的[敏感词]温度。

Tj (intrinsic)=器件结变成导体时的MOSFET结温（热产生的载流子淹没掺杂载流子）；在此温度下，MOSFET通常会失效，并具有漏极到源极到栅极[敏感词]短路的特性。能量（E，或有时称为Eav或Eas）=雪崩功率函数的时间积分；对于雪崩中的纯三角函数，E=1/2*Vav*Ipk*tav

图2.基本的非钳位电感开关关断电路

DUT（被测器件）是功率MOSFET器件。三角形表示栅极驱动电路

图3.MOSFET DUT的非钳位电感关断波形

能量函数是功率函数的积分

高边功率MOSFET（见图4）可能会发生雪崩，具体取决于栅极驱动条件。如果关断时的栅极驱动器将栅极和源极电位放在一起，使 Vgs<<Vth，则源极电位可能会下降到器件雪崩所需的负值。然而，如果关断时的栅极驱动使栅极电位为零，则源极电位只能降低到负值，直到器件重新导通。也就是说，Vgs变为正值并达到当器件处于饱和状态时雪崩电流流动所需的值（通常略大于Vth，具体取决于Iav大小和器件增益）。在这种情况下，MOSFET在钳位期间工作在饱和状态（因为电感存储的能量减少到零）。这种“自激活”钳位工作模式造成了一个潜在的问题，即热失控。

图4.高边非钳位电感负载关断基本电路

大多数应用在设计上通常不会将MOSFET关断到未钳位负载。但是，有些应用在设计上确实会切换未钳位的电感负载。例如一些燃油喷射系统、ABS转储线圈和低成本、低功率螺线管负载，在这些负载中可以省去钳位二极管的成本。

更常见的是，应用雪崩问题和可能导致的器件失效是由PCB迹线和电缆布线的未钳位杂散电感、电阻器和电容器的ESL以及晶体管和二极管的封装互连电感的关断引起的。例如因短路失效（通常由于非常高Ipk值和低tav值）而关断，以及转换器和逆变器拓扑结构中的开关节点过冲。MOSFET上的雪崩事件也可能由电源线上的瞬变引起（例如交流发电机负载突降）；雪崩操作不一定需要关断未钳位的电感负载。然而，根据雪崩功率函数的组成，功率MOSFET数据表中的UIS (UIL)数据通常可用于评估这些雪崩事件。

通常，MOSFET UIS的性能是通过使器件样品经受雪崩脉冲直至失效来确定的。大多数情况下，选择一个固定的电感值，并增加通过电感的峰值电流，直到DUT（被测器件）失效（表现为漏极到源极到栅极短路）。在每个Ipk增量之间允许有足够的时间，以确保DUT结温在下一个雪崩脉冲之前返回到初始条件。

初始结温由烘箱、强制通风或加热块控制。通常，UIS数据是在Tj(initial)=25 °C和至少一个升高的初始结温（例如100°C）时收集的。可以配置测试电路，以便DUT用于使电感负载的电流上升或连接为二极管 (Vgs=0V)，并且更高的雪崩开关用于上升和关断电感电流。比较图5中的电路。在将DUT用作MOSFET开关以使电流流入导体时，需要考虑两个潜在问题。

首先，在电流增加到Ipk的过程中，MOSFET器件正在消耗功率（通常等于I²*Rds(on)），因此该器件可能会自发热，从而增加了关断时的初始结温 Tj(initial)。要缓解这一问题，可以施加足够的 Vgs 栅极电压来降低 Rds(on)，并使用尽可能高的电源电压以最小化达到Ipk所需的时间（从0A到Ipk的时间=L*Ipk/Vsupply）。第二个问题是关断期间的栅极驱动灌电流能力。如果器件缓慢关断，一些存储的电感器能量会在开关转换过程中消耗掉。如果关断速度足够慢，则可以避免雪崩。一般来说，功率MOSFET数据表UIS规范假定硬关断事件，确保几乎所有电感器存储的能量都被雪崩操作中的MOSFET耗散。

图5.左侧电路是基本自驱动UIS测试电路。

右侧电路是另一种测试电路，其中DUT配置为二极管，

次级开关(SW)控制电感器电流。Vav(SW)>>Vav(DUT)。

收集的UIS数据是一组Ipk(fail)和几个不同电感值的相关tav工作点。根据这组数据，可以生成给定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲线（见图6）。数据应该很好地拟合Ipk=A*tav^-α形式的功率函数，其中A是常数，α指数幅度通常约为0.5。这很重要，因为它表明Ipk失效操作点可能代表基于热的失效。功率函数Ipk=A*tav^-α可以改写为A(1/α)=Ipk^(1/α)*tav。如果α=0.5，我们得到结果Ipk²*tav=常数。这是对机械保险丝（由于材料达到熔点而断开的保险丝）电流和断开（熔化）时间特性建模的典型表达式。从这个意义上说，功率函数Ipk=A*Ipk^-α可以指示热失效机制。关于功率MOSFET UIS能力作为热基失效的重要性和作用将在后面讨论。

Ipk(fail) vs tav数据被降低额定值以生成数据表图，可以将其视为功率MOSFET非钳位电感关断雪崩操作的SOA（安全工作区）（见图7）。如果应用Ipk和tav工作点低于Ipk vs tav曲线和曲线的初始Tj，则器件可以安全运行。从热管理角度来看，如果每个脉冲一开始的结温状态等于或低于规定的Tj(initial)值，则可以对任意数量的雪崩脉冲执行此操作。然而，由于HCI（热载流子注入）机制，重复的雪崩脉冲可能会导致MOSFET参数偏移，具体取决于器件技术和操作条件。本系列文章后续将讨论“重复雪崩”。

图6.Ipk(fail)数据作为两个初始结温下雪崩时间的函数

图7.图6的Ipk(fail) vs tav数据被降低额定值

以形成数据表Ipk vs tav SOA图

为了降低Ipk(fail)数据的额定值，Ipk(fail)值降低到原始值的某个百分比(X)，并且针对Ipk(fail)测量中使用的电感值的新Ipk值进行调整。调整后的tav由以下公式给出：tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低额定值的Ipk函数由Ipk=B*tav^-α给出，其中新的降额系数B可通过以下方式计算：B=A*X*(1/X) ^-α，其中X是降额百分比。X值通常是保守的，业内通常为大约50%-75%之间。

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