輕松了解功率MOSFET的雪崩效應(yīng)

在關(guān)斷狀態(tài)下，功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級。

根據(jù)電路條件不同，在雪崩、MOSFET漏極或源極中，電流范圍可從微安到數(shù)百安。  額定擊穿電壓，也可稱之為“BV”，通常是在給定溫度范圍（通常是整個(gè)工作結(jié)溫范圍）內(nèi)定義的MOSFET器件的最小阻斷電壓（例如30V）。數(shù)據(jù)表中的BVdss值是在低雪崩電流（通常為250μA或1mA）和結(jié)溫=25°C時(shí)測得的器件雪崩電壓。數(shù)據(jù)表中通常也提供結(jié)溫范圍內(nèi)的BVdss數(shù)據(jù)或BVdss溫度系數(shù)。值得注意的是，功率MOSFET雪崩電壓是結(jié)溫和雪崩電流的強(qiáng)函數(shù)。

圖1顯示了三個(gè)溫度下的BVdss值作為額定電壓為30V的器件的雪崩電流的函數(shù)。下面的表1列出了不同功率MOSFET BV額定值的典型雪崩電壓范圍——在高雪崩電流（安培）和升高的結(jié)溫（處于或接近最大額定結(jié)溫）下測量。

圖1.額定電壓為30V的MOSFET器件的雪崩電壓與結(jié)溫和雪崩電流的關(guān)系

表1.不同BV等級的高Tj和高Iav條件下的典型雪崩電壓范圍

MOSFET在雪崩條件下工作的的功率函數(shù)（雪崩電壓*雪崩電流）可以具有任何形式。本文介紹了一個(gè)特定的雪崩功率函數(shù)，它構(gòu)成了功率MOSFET數(shù)據(jù)表中雪崩額定值的基礎(chǔ)。MOSFET數(shù)據(jù)表通常在同義術(shù)語“UIS”或“UIL”下指定雪崩額定值，“UIS”和“UIL”分別指“非鉗位電感開關(guān)”和“非鉗位電感負(fù)載”。也就是說，當(dāng)驅(qū)動(dòng)未鉗位負(fù)載的MOSFET關(guān)斷時(shí)，功率MOSFET雪崩額定值適用于由此產(chǎn)生的Vds和Id（這些術(shù)語假定為n溝道MOSFET，否則Vsd和Is適用于p溝道 MOSFET）波形。圖2顯示了基礎(chǔ)電路，圖3顯示了器件波形。接著，我們繼續(xù)假設(shè)一個(gè)n溝道MOSFET并定義如下術(shù)語：

● Iav=雪崩電流

● Ipk=最大雪崩電流=MOSFET關(guān)斷時(shí)的值

● Ipk (fail)=MOSFET失效時(shí)的最大雪崩電流（漏極到源極到柵極短路）

● Jpk,Jpk(fail)：Ipk值與裸芯有源面積成比例，單位為A/面積2

● 裸芯有源面積：包含有源MOSFET結(jié)構(gòu)的MOSFET裸芯面積；占總裸芯面積的某個(gè)百分比

● Vav=雪崩電壓 (Vds)。Vav在雪崩期間通常不是恒定的（因?yàn)镮av和Tj會(huì)發(fā)生變化）；Vav通常是在雪崩期間測得的平均Vds幅度

● tav=雪崩時(shí)間，通常定義為Iav從Ipk降至零所需的時(shí)間；即電感中存儲(chǔ)的能量減少到零的時(shí)間。

● Tj=MOSFFET結(jié)溫，通常簡稱為裸芯表面或附近的最高溫度。

● Tj (intrinsic)=器件結(jié)變成導(dǎo)體時(shí)的MOSFET結(jié)溫（熱產(chǎn)生的載流子淹沒摻雜載流子）；在此溫度下，MOSFET通常會(huì)失效，并具有漏極到源極到柵極永久短路的特性。能量（E，或有時(shí)稱為Eav或Eas）=雪崩功率函數(shù)的時(shí)間積分；對于雪崩中的純?nèi)呛瘮?shù)，E=1/2*Vav*Ipk*tav

圖2.基本的非鉗位電感開關(guān)關(guān)斷電路

DUT（被測器件）是功率MOSFET器件。三角形表示柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖3.MOSFET DUT的非鉗位電感關(guān)斷波形能量函數(shù)是功率函數(shù)的積分

高邊功率MOSFET（見圖4）可能會(huì)發(fā)生雪崩，具體取決于柵極驅(qū)動(dòng)條件。如果關(guān)斷時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)器將柵極和源極電位放在一起，使 Vgs<<Vth，則源極電位可能會(huì)下降到器件雪崩所需的負(fù)值。然而，如果關(guān)斷時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)使柵極電位為零，則源極電位只能降低到負(fù)值，直到器件重新導(dǎo)通。也就是說，Vgs變?yōu)檎挡⑦_(dá)到當(dāng)器件處于飽和狀態(tài)時(shí)雪崩電流流動(dòng)所需的值（通常略大于Vth，具體取決于Iav大小和器件增益）。在這種情況下，MOSFET在鉗位期間工作在飽和狀態(tài)（因?yàn)殡姼写鎯?chǔ)的能量減少到零）。這種“自激活”鉗位工作模式造成了一個(gè)潛在的問題，即熱失控。

圖4.高邊非鉗位電感負(fù)載關(guān)斷基本電路

大多數(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)上通常不會(huì)將MOSFET關(guān)斷到未鉗位負(fù)載。但是，有些應(yīng)用在設(shè)計(jì)上確實(shí)會(huì)切換未鉗位的電感負(fù)載。例如一些燃油噴射系統(tǒng)、ABS轉(zhuǎn)儲(chǔ)線圈和低成本、低功率螺線管負(fù)載，在這些負(fù)載中可以省去鉗位二極管的成本。

更常見的是，應(yīng)用雪崩問題和可能導(dǎo)致的器件失效是由PCB跡線和電纜布線的未鉗位雜散電感、電阻器和電容器的ESL以及晶體管和二極管的封裝互連電感的關(guān)斷引起的。例如因短路失效（通常由于非常高Ipk值和低tav值）而關(guān)斷，以及轉(zhuǎn)換器和逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)過沖。MOSFET上的雪崩事件也可能由電源線上的瞬變引起（例如交流發(fā)電機(jī)負(fù)載突降）；雪崩操作不一定需要關(guān)斷未鉗位的電感負(fù)載。然而，根據(jù)雪崩功率函數(shù)的組成，功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的UIS (UIL)數(shù)據(jù)通?？捎糜谠u估這些雪崩事件。

通常，MOSFET UIS的性能是通過使器件樣品經(jīng)受雪崩脈沖直至失效來確定的。大多數(shù)情況下，選擇一個(gè)固定的電感值，并增加通過電感的峰值電流，直到DUT（被測器件）失效（表現(xiàn)為漏極到源極到柵極短路）。在每個(gè)Ipk增量之間允許有足夠的時(shí)間，以確保DUT結(jié)溫在下一個(gè)雪崩脈沖之前返回到初始條件。

初始結(jié)溫由烘箱、強(qiáng)制通風(fēng)或加熱塊控制。通常，UIS數(shù)據(jù)是在Tj(initial)=25 °C和至少一個(gè)升高的初始結(jié)溫（例如100°C）時(shí)收集的。可以配置測試電路，以便DUT用于使電感負(fù)載的電流上升或連接為二極管 (Vgs=0V)，并且更高的雪崩開關(guān)用于上升和關(guān)斷電感電流。比較圖5中的電路。在將DUT用作MOSFET開關(guān)以使電流流入導(dǎo)體時(shí)，需要考慮兩個(gè)潛在問題。

首先，在電流增加到Ipk的過程中，MOSFET器件正在消耗功率（通常等于I2*Rds(on)），因此該器件可能會(huì)自發(fā)熱，從而增加了關(guān)斷時(shí)的初始結(jié)溫 Tj(initial)。要緩解這一問題，可以施加足夠的 Vgs 柵極電壓來降低 Rds(on)，并使用盡可能高的電源電壓以最小化達(dá)到Ipk所需的時(shí)間（從0A到Ipk的時(shí)間=L*Ipk/Vsupply）。第二個(gè)問題是關(guān)斷期間的柵極驅(qū)動(dòng)灌電流能力。如果器件緩慢關(guān)斷，一些存儲(chǔ)的電感器能量會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中消耗掉。如果關(guān)斷速度足夠慢，則可以避免雪崩。一般來說，功率MOSFET數(shù)據(jù)表UIS規(guī)范假定硬關(guān)斷事件，確保幾乎所有電感器存儲(chǔ)的能量都被雪崩操作中的MOSFET耗散。

圖5.左側(cè)電路是基本自驅(qū)動(dòng)UIS測試電路。右側(cè)電路是另一種測試電路，其中DUT配置為二極管，次級開關(guān)(SW)控制電感器電流。Vav(SW)>>Vav(DUT)。

收集的UIS數(shù)據(jù)是一組Ipk(fail)和幾個(gè)不同電感值的相關(guān)tav工作點(diǎn)。根據(jù)這組數(shù)據(jù)，可以生成給定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲線（見圖6）。數(shù)據(jù)應(yīng)該很好地?cái)M合Ipk=A*tav-α形式的功率函數(shù)，其中A是常數(shù)，α指數(shù)幅度通常約為0.5。這很重要，因?yàn)樗砻鱅pk失效操作點(diǎn)可能代表基于熱的失效。功率函數(shù)Ipk=A*tav-α可以改寫為A(1/α)=Ipk(1/α)*tav。如果α=0.5，我們得到結(jié)果Ipk2*tav=常數(shù)。這是對機(jī)械保險(xiǎn)絲（由于材料達(dá)到熔點(diǎn)而斷開的保險(xiǎn)絲）電流和斷開（熔化）時(shí)間特性建模的典型表達(dá)式。從這個(gè)意義上說，功率函數(shù)Ipk=A*Ipk-α可以指示熱失效機(jī)制。關(guān)于功率MOSFET UIS能力作為熱基失效的重要性和作用將在后面討論。

Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以生成數(shù)據(jù)表圖，可以將其視為功率MOSFET非鉗位電感關(guān)斷雪崩操作的SOA（安全工作區(qū)）（見圖7）。如果應(yīng)用Ipk和tav工作點(diǎn)低于Ipk vs tav曲線和曲線的初始Tj，則器件可以安全運(yùn)行。從熱管理角度來看，如果每個(gè)脈沖一開始的結(jié)溫狀態(tài)等于或低于規(guī)定的Tj(initial)值，則可以對任意數(shù)量的雪崩脈沖執(zhí)行此操作。然而，由于HCI（熱載流子注入）機(jī)制，重復(fù)的雪崩脈沖可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET參數(shù)偏移，具體取決于器件技術(shù)和操作條件。本系列文章后續(xù)將討論“重復(fù)雪崩”。

圖6.Ipk(fail)數(shù)據(jù)作為兩個(gè)初始結(jié)溫下雪崩時(shí)間的函數(shù)

圖7.圖6的Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以形成數(shù)據(jù)表Ipk vs tav SOA圖

為了降低Ipk(fail)數(shù)據(jù)的額定值，Ipk(fail)值降低到原始值的某個(gè)百分比(X)，并且針對Ipk(fail)測量中使用的電感值的新Ipk值進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的tav由以下公式給出：tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低額定值的Ipk函數(shù)由Ipk=B*tav-α給出，其中新的降額系數(shù)B可通過以下方式計(jì)算：B=A*X*(1/X) -α，其中X是降額百分比。X值通常是保守的，業(yè)內(nèi)通常為大約50%-75%之間。