【導讀】在關斷狀態下，功率MOSFET的體二極管結構的設計是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFETtierjiguandejichuanhuoxuebengbiaomingfanxiangpianzhitierjiguanliangduandedianchangshideloujiheyuanjiduanzizhijianyoudaliangdianliuliudong。dianxingdezuduanzhuangtailoudianliuzaijishipiandaojibainaandeshuliangji。

在關斷狀態下，功率MOSFET的體二極管結構的設計是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFETtierjiguandejichuanhuoxuebengbiaomingfanxiangpianzhitierjiguanliangduandedianchangshideloujiheyuanjiduanzizhijianyoudaliangdianliuliudong。dianxingdezuduanzhuangtailoudianliuzaijishipiandaojibainaandeshuliangji。

根據電路條件不同，在雪崩、MOSFET漏極或源極中，電流範圍可從微安到數百安。 額定擊穿電壓，也可稱之為“BV”

，通常是在給定溫度範圍（通常是整個工作結溫範圍）內定義的MOSFET器件的最小阻斷電壓（例如30V）。數據表中的BVdss值是在低雪崩電流（通常為250μA或1mA）和結溫=25°C時測得的器件雪崩電壓。數據表中通常也提供結溫範圍內的BVdss數據或BVdss溫度係數。值得注意的是
，功率MOSFET雪崩電壓是結溫和雪崩電流的強函數。

圖1顯示了三個溫度下的BVdss值作為額定電壓為30V的器件的雪崩電流的函數。下麵的表1列出了不同功率MOSFET BV額定值的典型雪崩電壓範圍——在高雪崩電流（安培）和升高的結溫（處於或接近最大額定結溫）下測量。

圖1.額定電壓為30V的MOSFET器件的雪崩電壓與結溫和雪崩電流的關係

表1.不同BV等級的高Tj和高Iav條件下的典型雪崩電壓範圍

MOSFET在雪崩條件下工作的的功率函數（雪崩電壓*雪崩電流）可以具有任何形式。本文介紹了一個特定的雪崩功率函數
，它構成了功率MOSFET數據表中雪崩額定值的基礎。MOSFET數據表通常在同義術語“UIS”或“UIL”下指定雪崩額定值，“UIS”和“UIL”分別指“非鉗位電感開關”和“非鉗位電感負載”。也就是說，當驅動未鉗位負載的MOSFET關斷時
，功率MOSFET雪崩額定值適用於由此產生的Vds和Id（這些術語假定為n溝道MOSFET，否則Vsd和Is適用於p溝道 MOSFET）波形。圖2顯示了基礎電路


，圖3顯示了器件波形。接著
，我們繼續假設一個n溝道MOSFET並定義如下術語：

. Iav=雪崩電流

. Ipk=最大雪崩電流=MOSFET關斷時的值

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

. Jpk,Jpk(fail)：Ipk值與裸芯有源麵積成比例，單位為A/麵積2

. 裸芯有源麵積：包含有源MOSFET結構的MOSFET裸芯麵積
；占總裸芯麵積的某個百分比

. Vav=雪崩電壓 (Vds)。Vav在雪崩期間通常不是恒定的（因為Iav和Tj會發生變化）
；Vav通常是在雪崩期間測得的平均Vds幅度

. tav=雪崩時間，通常定義為Iav從Ipk降至零所需的時間

；即電感中存儲的能量減少到零的時間。

. Tj=MOSFFET結溫，通常簡稱為裸芯表麵或附近的最高溫度。

. Tj (intrinsic)=器件結變成導體時的MOSFET結溫（熱產生的載流子淹沒摻雜載流子）；在此溫度下，MOSFET通常會失效，並具有漏極到源極到柵極永久短路的特性。能量（E，或有時稱為Eav或Eas）=雪崩功率函數的時間積分
；對於雪崩中的純三角函數，E=1/2*Vav*Ipk*tav

圖2.基本的非鉗位電感開關關斷電路DUT（被測器件）是功率MOSFET器件。三角形表示柵極驅動電路

圖3.MOSFET DUT的非鉗位電感關斷波形能量函數是功率函數的積分

高邊功率MOSFET（見圖4）可能會發生雪崩，具體取決於柵極驅動條件。如果關斷時的柵極驅動器將柵極和源極電位放在一起，使 Vgs<

圖4.高邊非鉗位電感負載關斷基本電路

大多數應用在設計上通常不會將MOSFET關斷到未鉗位負載。但是，有些應用在設計上確實會切換未鉗位的電感負載。例如一些燃油噴射係統
、ABS轉儲線圈和低成本
、低功率螺線管負載，在這些負載中可以省去鉗位二極管的成本。

更常見的是，應用雪崩問題和可能導致的器件失效是由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斷引起的。例如因短路失效（通常由於非常高Ipk值和低tav值）而關斷，以及轉換器和逆變器拓撲結構中的開關節點過衝。MOSFET上的雪崩事件也可能由電源線上的瞬變引起（例如交流發電機負載突降）

；雪崩操作不一定需要關斷未鉗位的電感負載。然而，根據雪崩功率函數的組成，功率MOSFET數據表中的UIS (UIL)數據通常可用於評估這些雪崩事件。

通常

，MOSFET UIS的性能是通過使器件樣品經受雪崩脈衝直至失效來確定的。大多數情況下，選擇一個固定的電感值，並增加通過電感的峰值電流，直到DUT（被測器件）失效（表現為漏極到源極到柵極短路）。在每個Ipk增量之間允許有足夠的時間，以確保DUT結溫在下一個雪崩脈衝之前返回到初始條件。

初始結溫由烘箱、強製通風或加熱塊控製。通常，UIS數據是在Tj(initial)=25 °C和至少一個升高的初始結溫（例如100°C）時收集的。可以配置測試電路，以便DUT用於使電感負載的電流上升或連接為二極管 (Vgs=0V)，並且更高的雪崩開關用於上升和關斷電感電流。比較圖5中的電路。在將DUT用作MOSFET開關以使電流流入導體時

，需要考慮兩個潛在問題。

首先，在電流增加到Ipk的過程中，MOSFET器件正在消耗功率（通常等於I2*Rds(on)），因此該器件可能會自發熱
，從而增加了關斷時的初始結溫 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)，並使用盡可能高的電源電壓以最小化達到Ipk所需的時間（從0A到Ipk的時間=L*Ipk/Vsupply）。第di二er個ge問wen題ti是shi關guan斷duan期qi間jian的de柵zha極ji驅qu動dong灌guan電dian流liu能neng力li。如ru果guo器qi件jian緩huan慢man關guan斷duan，一yi些xie存cun儲chu的de電dian感gan器qi能neng量liang會hui在zai開kai關guan轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong消xiao耗hao掉diao。如ru果guo關guan斷duan速su度du足zu夠gou慢man
，則ze可ke以yi避bi免mian雪xue崩beng。一yi般ban來lai說shuo
，功gong率lvMOSFET數據表UIS規範假定硬關斷事件，確保幾乎所有電感器存儲的能量都被雪崩操作中的MOSFET耗散。

圖5.左側電路是基本自驅動UIS測試電路。

右側電路是另一種測試電路，其中DUT配置為二極管，次級開關(SW)控製電感器電流。Vav(SW)>>Vav(DUT)。

收集的UIS數據是一組Ipk(fail)和幾個不同電感值的相關tav工作點。根據這組數據
，可以生成給定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲線（見圖6）。數據應該很好地擬合Ipk=A*tav-α形式的功率函數，其中A是常數，α指數幅度通常約為0.5。這很重要，因為它表明Ipk失效操作點可能代表基於熱的失效。功率函數Ipk=A*tav-α可以改寫為A(1/α)=Ipk(1/α)*tav。如果α=0.5

，我們得到結果Ipk2*tav=常數。這是對機械保險絲（由於材料達到熔點而斷開的保險絲）電流和斷開（熔化）時間特性建模的典型表達式。從這個意義上說，功率函數Ipk=A*Ipk-α可以指示熱失效機製。關於功率MOSFET UIS能力作為熱基失效的重要性和作用將在後麵討論。

Ipk(fail) vs tav數據被降低額定值以生成數據表圖
，可以將其視為功率MOSFET非鉗位電感關斷雪崩操作的SOA（安全工作區）（見圖7）。如果應用Ipk和tav工作點低於Ipk vs tav曲線和曲線的初始Tj

，則器件可以安全運行。從熱管理角度來看
，如果每個脈衝一開始的結溫狀態等於或低於規定的Tj(initial)值


，則可以對任意數量的雪崩脈衝執行此操作。然而，由於HCI（熱載流子注入）機製
，重複的雪崩脈衝可能會導致MOSFET參數偏移，具體取決於器件技術和操作條件。本係列文章後續將討論“重複雪崩”。

圖6.Ipk(fail)數據作為兩個初始結溫下雪崩時間的函數

圖7.圖6的Ipk(fail) vs tav數據被降低額定值以形成數據表Ipk vs tav SOA圖

為了降低Ipk(fail)數據的額定值，Ipk(fail)值降低到原始值的某個百分比(X)，並且針對Ipk(fail)測量中使用的電感值的新Ipk值進行調整。調整後的tav由以下公式給出：tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低額定值的Ipk函數由Ipk=B*tav-α給出，其中新的降額係數B可通過以下方式計算：B=A*X*(1/X) -α，其中X是降額百分比。X值通常是保守的
，業內通常為大約50%-75%之間。

本文轉載自：安森美

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