電源應(yīng)用中場效應(yīng)晶體管的崩潰效應(yīng)

　　前言：

　　在 SMPS(Switching Mode Power Supply) 以及 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中 , 使用場效應(yīng)晶體管當(dāng)作切換開關(guān)已經(jīng)越來越普遍。在設(shè)計(jì)中為了減少尺寸大小和提升電源密度 , 其電源操作工作頻率也要求越來越高。如此會(huì)造成較高的 di/dt 產(chǎn)生使得雜散電感效應(yīng)加諸于場效應(yīng)晶體管兩端 (Drain & Source) 的瞬間電壓會(huì)更加明顯。尤其在電源開機(jī)的霎那間 , 此瞬間電壓會(huì)達(dá)到最大值。這是由于變壓器一次側(cè)電感值相當(dāng)于漏電感 ( 最小電感值 ) 而且輸出電容完全未充電的狀態(tài)所致。幸運(yùn)的是一般場效應(yīng)晶體管皆可承受高于某些程度的額定電壓范圍 , 在此條件范圍內(nèi)設(shè)計(jì)者并不需要增加額外的保護(hù)線路以避免不必要的成本支出。此篇文章可帶領(lǐng)各位去判斷何種條件下對場效應(yīng)晶體管所造成的影響 , 進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)者去衡量成本及可靠度以取得最佳的平衡點(diǎn)。

　　1. 評(píng)估方式 : 單一脈沖 UIS(Unclamped Inductive Switching) 的安全工作范圍

　　一般評(píng)估場效應(yīng)晶體管的崩潰效應(yīng)皆以單一脈沖 UIS 為基準(zhǔn)。如圖一所示。此方式簡單的定義了幾個(gè)針對被測試組件的基本參數(shù)。例如在崩潰時(shí)間內(nèi)所流經(jīng)場效應(yīng)晶體管的最大峰值電流 (IAS), 在 UIS 開始前的起始接合面溫度 (Tj), 以及崩潰時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間 tAV 。 將 IAS 及 tAV 所對應(yīng)出來的圖表曲線可提供使用者了解此組件針對 UIS 的表現(xiàn)能力 , 而提供一個(gè)客觀且公正的衡量依據(jù)。

　　2. 2.過電壓產(chǎn)生的條件

　　在應(yīng)用上 , 過電壓產(chǎn)生的條件可分成下列兩種。 一種是超過場效應(yīng)晶體管的最大額定電壓 , 但是并沒有造成崩潰現(xiàn)象發(fā)生。 此現(xiàn)象可以藉由計(jì)算場效應(yīng)晶體管接合面的溫度去判斷組件的操作能力。另外一種是指已達(dá)到崩潰的標(biāo)準(zhǔn) , 并且崩潰已經(jīng)發(fā)生 , 這個(gè)時(shí)候 UIS 的評(píng)估方式可提供分析此種現(xiàn)象的最佳工具。

　　3. 崩潰模式的分析

　　當(dāng)場效應(yīng)晶體管進(jìn)入崩潰效應(yīng)時(shí) Drain 及 Source 電壓會(huì)被嵌制在其崩潰電壓 , 而電流會(huì)經(jīng)由寄生的二極管而產(chǎn)生逆向操作電流的現(xiàn)象。如圖二所示為一典型開關(guān)式電源電路所量測到的崩潰現(xiàn)象。從圖中可看出 Drain 及 Source 的電壓 (CH3) 被箝制在 1KV 而且逆向電流 (CH4) 可清楚地被發(fā)現(xiàn)。

　　UIS 的評(píng)估方式是針對崩潰現(xiàn)象分析的一種很有用的方法。在圖三 UIS 安全工作區(qū)域中可區(qū)分為三大區(qū)域 (1) 大于 25 ° C 線或者是圖中靠右的區(qū)域 , (2) 低于 150 ° C 線或者是圖中靠左的區(qū)域 , (3) 介于 (1) 與 (2) 的區(qū)域。其中 (1) 可清楚地了解此組件工作超出額定工作范圍之外 (2) 則是位于額定工作范圍之內(nèi)。至于 (3) 的區(qū)域界定 我們需要得到此組件的起始 UIS 接合面溫度以決定其工作能力。稍后會(huì)在后面舉例說明如何求出此接合面溫度。

　　UIS 的評(píng)估方式并不限于應(yīng)用在單一脈沖上 , 針對連續(xù)性脈沖的應(yīng)用上亦可藉由重疊定理 (Super-position) 來做分析。在連續(xù)性脈沖里 , 每一個(gè)脈沖皆可視為一個(gè)單一脈沖的 UIS 應(yīng)用 。通常最后一個(gè)連續(xù)脈沖的發(fā)生皆是接合面溫度最高的時(shí)候。而這時(shí)候也是條件最嚴(yán)苛的情況。假使我們可以證明場效應(yīng)晶體管最后一個(gè)連續(xù)脈沖的結(jié)果可以符合 UIS 的安全工作區(qū)域之內(nèi) , 那么之前所經(jīng)過的脈沖一定也在 UIS 的安全工作區(qū)域內(nèi)。因?yàn)橹暗慕雍厦鏈囟纫欢ū茸詈笠粋€(gè)連續(xù)脈沖的接合面溫度低。

　　4. 接合面溫度分析

　　一般而言 假使 Drain 及 Source 電壓超過規(guī)格書所載明的最大額定電壓稍大一些 , 此時(shí)要讓場效應(yīng)晶體管產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象其實(shí)是不常發(fā)生的。圖四所表示的曲線為場效應(yīng)晶體管的額定最大工作電壓 (BVDSS) vs 接合面溫度 (Tj), 其特性的表示是以正溫度特性變化 。當(dāng)接合面溫度達(dá)到 120 ° C 時(shí) , BVDSS 可達(dá)到將近 990V 。由此可知 , 在更高的接合面溫度條件下 , 場效應(yīng)晶體管需要更高的 Drain 對 Source 的電壓以達(dá)到崩潰效應(yīng)產(chǎn)生的必要條件。

　　但這里必須提醒一件事 , 圖四所標(biāo)示的 BVDSS 是基于 250uA 的 ID 電流為條件所定義。在實(shí)際崩潰發(fā)生時(shí) ID 電流遠(yuǎn)大于 uA 的范圍。 因此 , 所欲達(dá)到的崩潰電壓也會(huì)比上述圖四中所推導(dǎo)的電壓要來的大的多。