MOSFET雪崩能量的應用考慮
在功率MOSFET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)的應用有什么樣的聯(lián)系,如何在實際的應用中評定這些參數(shù)對其的影響,以及在哪些應用條件下需要考慮這些參數(shù)。這里將論述這些問題,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)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/180029.htmEAS,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)。功率半導體對快速功率脈沖(時間為100~200μs)的熱響應可以由式1說明:
(1)
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:
(2)
其中,tav是脈沖時間。當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)導通時間tp后,電感電流達到最大值;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導通。
圖1 VDD去耦的EAS測量圖
由于MOSFET的DS之間有寄生電容,因此,在D導通續(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中儲存的能量應該全部轉(zhuǎn)換到CDS中。
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。
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