一文了解MOSFET的反向阻断特性

1、反向阻断特性

所有功率 MOSFET 器件都有额定最大反向电压，即VDSX（Drain-to-Source Voltage）。如果漏源电压超过此限制，则会在反向偏置的 p-n 结上产生高电场。由于强电离的作用，这些高电场会产生电子-空穴对，它们会出现不受控制的倍增效应，导致载流子浓度进一步增加。这就是雪崩效应，会导致流经器件的电流增加，从而导致高功耗、快速升温和潜在的器件损坏。在超过 MOSFET 的击穿电压时，通常会发生雪崩，这通常是由于非钳位电感开关 (UIS) 造成的，其中器件的使用超出了其数据表规范。因此，设计人员应尽一切合理努力避免 MOSFET 工作在雪崩状态。实际上，在大电流应用中，由于 MOSFET 封装和 PCB 走线中的寄生电感或变压器漏感（例如在反激式转换器中），会导致关断瞬态高压。通过漏极电压的钳位效应可观察雪崩。

图 1    由于UIS导致的VDS关断瞬态电压

1.1 雪崩失效机制

1.1.1 闩锁效应

在这种情况下，雪崩事件会产生漏极电流，在电场强度更大的位置，漏极电流也会更大。闩锁效应是由寄生 在功率 MOSFET中的NPN双极结型晶体管 (BJT)产生。如果器件的结构使得寄生BJT附近的电场很高，则大量电流将流过其基极电阻，从而在基极和发射极之间产生电压。如果此电压达到某个阈值，双极晶体管就会导通，大部分雪崩电流会流经它，从而产生潜在的破坏性影响，因为没有办法可以控制电流。

图 2 MOSFET寄生BJT硅结构及等效电路

1.1.1 热失效

当MOSFET的结温达到Tj,destr时，就会发生热损坏。Tj,destr接近硅材料的本征温度，在这个温度时热载流子的密度等于本地掺杂的浓度。因此，当达到这样的温度时，MOSFET将不再像半导体器件那样工作。

应对热损坏需要在技术设计中进行一些权衡，因为它会影响高性能技术的一些关键驱动因素，特别是FOM RDS(on) x A。事实上，虽然降低RDS(on)xA的技术可以在特定的RDS(on) 值下采用更小尺寸的芯片，但更大的管芯面积可以减轻高能雪崩事件引起的升温。

RDS(on) x A 的定义
RDS(on)：晶体管在导通状态下的电阻，值越小，导通损耗越低。
A：芯片的导通面积，面积越大，有助于散热。
RDS(on)xA的乘积表示了在特定条件下晶体管的总导通损耗和热管理能力。降低这个值可以有效提高器件的整体效率。

FOM RDS(on)xA 的意义
FOM RDS(on)xA 是指“性能指标”（Figure of Merit），用于评价不同技术方案的优劣：
性能评估：FOM值越低，表示在相同的导通电阻下，芯片面积的利用更有效，热管理更好。
设计优化：通过优化RDS(on) 和面积，可以在保证性能的同时，降低热损坏的风险。

1.2 雪崩测试

MOSFET雪崩耐受能力通过单脉冲UIS测试电路进行测试，如下图所示。

图 3    雪崩测试电路

在这些电路中，特定时长的脉冲施加到MOSFET栅极以导通器件，漏极电流因串联电感而线性上升。然后MOSFET 关断，此时会出现较大的负di/dt，从而产生瞬变电压。在去耦电路中，两个MOSFET同时导通和关断，因此电感电压等于施加在MOSFET漏极和源极之间的电压。关断瞬态上升至VDSX以上，这样在雪崩条件下，存储在电感中的能量（由脉冲长度和电感定义）可以传输到MOSFET。

1.3 单次和重复雪崩条件

MOSFET在单个脉冲中所能承受的雪崩能量有一个定义的最大值。顾名思义，单脉冲雪崩事件只允许发生一次，这是因为这些限值对应于高于MOSFET Tj,max的结温，因此重复此类事件会损害MOSFET的使用寿命。请记住雪崩不是推荐的操作条件。 

在重复雪崩的情况下，雪崩事件以快速重复频率连续发生，这通常与开关电源转换器等应用电路的开关频率（fSW）相同。每个雪崩事件允许的安全雪崩能量远低于单脉冲雪崩。 

在大多数重复雪崩情况下，由于每次雪崩事件的能量相对较低，与最坏情况下的单脉冲雪崩相比，硅材料温升可以忽略不计。观察到的VDS尖峰仅略微超过MOSFET VDSX额定值，而在高能单脉冲雪崩测试期间记录的振幅为1.2~1.3xVDSX。单次雪崩额定值和重复雪崩额定值之间的相关差异与此类事件引起的允许Tj,max有关。事实上，虽然在单脉冲雪崩中允许结温超过Tj,max，但对于重复雪崩却不是这样。在重复雪崩中超过Tj,max 会产生累积效应，这可能会降低器件在其使用寿命内的可靠性，从而导致过早失效。对于采用QFN 5x6 (SuperSO8) 或S3O8 封装的器件，Tj,max可低至150℃。这是封装而非硅材料本身的限制，硅通常可以承受175℃。 因此，在某些情况下，当采用不同封装（例如TO-220 或 D2PAK）时，具有相同管芯的MOSFET，其额定温度为175℃。

区分单脉冲和重复雪崩非常重要，因为它们影响正常MOSFET特性的方式大不相同。单脉冲雪崩的两种器件失效模式是由高电流（闩锁效应）或高能量（热损坏）引起的。这些失效模式是灾难性的；然而，在重复雪崩情况下，损坏过程是渐进的，通过重复的微损伤非常缓慢地影响器件。即使是低能量雪崩事件也会产生一些热载流子，这些载流子电荷沿着功率MOSFET的沟槽氧化物注入。重复雪崩事件会引起电荷积累，这会慢慢损害器件可靠性。这可能导致一段时间后发生现场失效。

1.4 如何避免雪崩事件

首先，有必要为应用选择具有正确VDSX额定值的器件。这意味着在最坏的工作条件下，器件漏极和源极两端的最大稳态电压应考虑至少20%的安全裕度。在可能发生大的关断瞬态情况下，将需要更高的安全裕度来实现可靠操作。例如，在电机驱动逆变器中，采用MOSFET VDSX额定值为DC总线电压两倍的情况并不少见。然而，选择比所需额定值更高的器件是错误的，因为这会带来更高的RDS(on)，而且成本也可能更高。

用于减少关断瞬态的方法包括通过调整栅极驱动网络来减缓MOSFET的关断速度，以及在漏极和源极之间添加RC缓冲器。当然，这两种方法都会造成额外的开关损耗，从而降低系统效率。

图 4    栅极驱动电路

根据设计的具体情况，上述栅极驱动电路之一可用于控制导通和关断速度。调整Rg_off可使设计人员在不影响导通速度的情况下降低关断瞬态电压。然而，在硬开关半桥电路中，Rg_off值不能太高，因为这可能会导致在低侧栅极处出现感应导通尖峰，此现象由CGD.di/dt 效应引起。如果值足够大，此尖峰可能会超过MOSFET VGS(th)，并产生危险的击穿电流。仔细考虑栅极驱动电阻值对于在最小化关断瞬态振幅、避免感应导通（如适用）和控制EMI之间实现最佳平衡至关重要。

如前所述，可以在漏极和源极之间添加一个串联RC缓冲器，以吸收一些关断瞬态，从而降低其峰值电压； 然而，这会产生额外的开通损耗。

图 5    连接在MOSFET漏极和源极之间的RC缓冲器