技术分享 | 功率MOSFET雪崩特性

时间： 2024-09-04 来源：瑶芯微电子公众号

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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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