技术分享 | 功率MOSFET雪崩特性
MOSFET的雪崩主要涉及在特定条件下(如高电压或大电流),其内部通过碰撞电离产生更多的电子-空穴对,导致电流急剧增加,对器件的性能造成影响。雪崩特性是MOSFET在设计和应用中需要考虑的重要参数,因为它直接关系到器件的安全运行和可靠性。
雪崩定义
MOSFET雪崩是指当MOSFET上所承受的电压超过其击穿电压时,在强电场作用下,载流子(电子和空穴)获得足够高的能量,通过碰撞电离产生新的电子-空穴对,形成连锁反应,导致电流急剧增大的现象。该现象类似于雪崩,初始的少量载流子在强电场中迅速引发大量载流子的产生和流动,从而可能造成MOSFET器件的损坏,影响其正常工作和性能。
雪崩电流和雪崩能量
MOSFET的雪崩特性包括雪崩电流(IAS和IAR)和雪崩能量(EAS和EAR)。其中,EAS表示单次雪崩击穿能量,即器件可以安全吸收的反向雪崩击穿能量的高低;EAR则表示重复雪崩能量,标定了器件所能承受的反复出现的雪崩击穿能量。这些参数的限制条件通常是以器件的最高允许结温(Tch<=150℃)为极限。
图1 MOSFET雪崩能力
雪崩失效机制
如图2所示基本原理电路图和测试波形,在感性负载应用(如电感,变压器, 电机等)中使用MOSFET时,当MOSFET关闭时,由于电感或者电路寄生电感的特性,产生反电动势,该反电动势叠加在输入电压会产生超过MOSFET最大额定值(VDSS)的高电压。
图2 基本原理电路图和测试波形
当向MOSFET施加高于绝对最大额定值BVDSS的电压时,就会发生击穿。当施加高于BVDSS的高电场时,自由电子被加速并带有很大的能量,这会导致碰撞电离,从而产生电子-空穴对。这种电子-空穴对呈雪崩式增加的现象称为“雪崩击穿”。在这种雪崩击穿期间,与MOSFET内部二极管电流呈反方向流动的电流称为“雪崩电流IAS”,如图3所示蓝色路径。
图3 MOSFET雪崩机理
在雪崩击穿期间,不仅会发生由雪崩电流导致寄生三极管误导通而造成的短路和损坏(如前所述),还会发生由传导损耗带来的热量过高造成的损坏。当MOSFET处于击穿状态时会流过雪崩电流,根据图1所示波形,在这种状态下,雪崩能量公式为
这种功率损耗称为“雪崩能量EAS”。尽管MOSFET处于OFF状态,电流仍然会几十安到数百安流动,一方面会产生高损耗、高温度,并可能损坏MOSFET元胞结构,另一方面过大的雪崩电流会导致MOSFET寄生三极管导通,从而使MOSFET漏源极在高电压下趋于导通状态,漏源极电流瞬间大幅增加,导致MOSFET失效。
雪崩应用条件及预防措施
在实际的应用中,雪崩的损坏常发生在过压过流高温等极端条件下。例如在高温下,系统输出短路及过载测试、输入过电压测试、动态老化测试等,MOSFET的损坏首当其冲需要考虑雪崩能量导致的击穿。
在电源输出短路及过载测试时,在原边电感中瞬间产生大电流比变化,极端情况下会电感饱和,当电感电流触发设定的阈值并且立即关断MOSFET,此时较大的di/dt,在寄生电容的作用下使得寄生三极管导通,可能导致雪崩损坏。相应的预防措施有
· 加快短路的系统响应,以降低关断时漏极电流;
· 优化电路以及变压器设计,减小漏感和线路杂散电感;
· 加缓冲电路抑制di/dt.
在反激变换器应用中,由于变压器漏感的原因,MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰,电压尖峰主要由输入电压+输出反射电压+漏感感应电压组成,这时需要考虑雪崩能量,必要时,需加一些防护措施(如加强RCD钳位电路、RC吸收电路等),保证MOSFET不被损坏。
在电机驱动电路中,由于一些电机的绕组是电感,对于感性负载,电机启动和堵转过程中会产生极大的冲击电流,该工况同样在MOSFET关断时产生较大的电流变化,致使MOSFET雪崩击穿。
综上应用所述,为了保护MOSFET免受雪崩击穿的损坏,针对不同的应用可以采取相关的保护措施,如在变压器(感性负载)两端并接RCD吸收回路以降低反向尖峰电压;串联栅极电阻并设置为合适值以抑制dv/dt,增加关断时间从而抑制反向尖峰电压;在MOSFET的DS间并接RC吸收回路以吸收反向尖峰电压;大电流电路布线加粗、缩短距离以降低寄生电感。
总结
MOSFET的雪崩特性是其在高电压或大电流条件下表现出的重要物理现象,对器件的安全运行和可靠性有直接影响。设计和应用中需要充分考虑这些特性,并采取适当的保护措施以确保MOSFET的可靠工作。
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