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文档简介
1、何种应用条件要考虑 MOSFET 崩能量在功率 MOSFETJ 数据表中,通常包括单脉冲雪崩能量 EAS 雪崩电流 IAR,重复脉冲雪崩能量 EAR 等参数,而许多电子工程师在设计电源系统的过程中,很少考虑到这些参数与电源系统的应用有什么样的联系,如何在实际的应用中评定这些参数对其的影响,以及在哪些应用条件下需要考虑这些参数。这里将论述这些问题,同时探讨功率 MOSFE 在非钳位感性开关条件下的工作状态。EASIAR 和 EAR 的定义及测量MOSFETJ 雪崩能量与器件的热性能和工作状态相关,其最终的表现就是温度的上升,而温度上升与功率水平和硅片封装的热性能相关。功率半导体对快速功率脉冲(时
2、间为 100200s)的热响应可以由式 1 说明:其中,A 是硅片面积,K 常数与硅片的热性能相关。由式(1)得:其中,tav 是脉冲时间。当长时间在低电流下测量雪崩能量时,消耗的功率将使器件的温度升高,器件的失效电流由其达到的峰值温度所决定。如果器件足够牢靠,温度不超过最高的允许结温,就可以维持测量。在此过程内,结温通常从 25c 增加到 TJMAX 外部环境温度恒定为 25C,电流通常设定在 ID 的 60%雪崩电压 VAV 大约为 1.3 倍器件额定电压。雪崩能量通常在非钳位感性开关 UIS 条件下测量。其中,有两个值 EAS 和 EAREAS 为单脉冲雪崩能量,定义了单次雪崩状态下器件
3、能够消耗的最大能量;EAR 为重复脉冲雪崩能量。雪崩能量依赖于电感值和起始的电流值。图 1 为 VDD耦的 EAS 测量电路及波形。其中,驱动 MOSFETSQ1,待测量的 MOSFETSDUTL 为电感,D 为续流管。待测量的MOSFE 和驱动 MOSFE 同时导通,电源电压 VDDW 在电感上,电感激磁,其电流线性上升,经导通时间 tp后,电感电流达到最大值;然后待测量的 MOSFETA 驱动 MOSFE 何时关断,由于电感的电流不能突变,在切换的瞬间,要维持原来的大小和方向,因此续流二极管 D 导通。图 1VDD 去耦的 EAS 测量图月二!p工-月2幻2K,短(2)由于 MOSFET
4、勺 DS 之间有寄生电容,因此,在 D 导通续流时,电感 L 和 CDS 形成谐振回路,L 的电流降低使 CDS的电压上升,直到电感的电流为 0,D 自然关断,L 中储存的能量应该全部转换到 CDS 中。如果电感 L 为 0.1mH,IAS=10A,CDS=1nF 理论上,电压 VDS 为CDSVDS2=LIAS2(3)VDS=3100V这样高的电压值是不可能的,那么为什么会有这样的情况?从实际的波形上看,MOSFET 勺 DS 区域相当于一个反并联的二极管。由于这个二极管两端加的是反向电压,因此处于反向工作区,随着 DS 的电压 VDS 增加,增加到接近于对应稳压管的钳位电压也就是 V(BR
5、)DSS 时,VDS 的电压就不会再明显的增加,而是维持在 V(BR)DSS 值基本不变,如图1 所示。此时,MOSFE 五作于雪崩区,V(BR)DSS 就是雪崩电压,对于单次脉冲,加在 MOSFE 止的能量即为雪崩能量EASEAS=LIAS2/2(4)同时,由于雪崩电压是正温度系数,当 MOSFE 内部的某些单元温度增加,其耐压值也增加,因此,那些温度低的单元自动平衡,流过更多的电流以提高温度从而提高雪崩电压。另外,测量值依赖于雪崩电压,而在去磁期间,雪崩电压将随温度的增加而变化。在上述公式中,有一个问题,那就是如何确定 IAS?当电感确定后,是由 tp 来确定的吗?事实上,对于一个 MOS
6、FET器件,要首先确定 IAS。如图 1 所示的电路中,电感选定后,不断地增加电流,直到将 MOSFETS 全损坏,然后将此时的电流值除以 1.2 或 1.3,即降额 70 麻 80%所得到的电流值即为 IAS。注意到 IAS 和 L 固定后,tp 也是确定的。过去,传统的测量 EAS 的电路图和波形如图 2 所示。注意到,VDS 最后的电压没有降到 0,而是 VDD 也就是有部分的能量没有转换到雪崩能量中。图 2 传统的 EAS 测量图在关断区,图 2(b)对应的三角形面积为能量,不考虑 VDD 去磁电压为 VDS 实际的去磁电压为 VDS-VDD 因此雪崩能量为对于一些低压的器件,VDS-
7、VD 限得很小,引入的误差会较大,因此限制了此测量电路的在低压器件中的使用。目前测量使用的电感,不同的公司有不同的标准,对于低压的 MOSFET 大多数公司开始趋向于用 0.1mH 的电感值。通常发现:如果电感值越大,尽管雪崩的电流值会降低,但最终测量的雪崩能量值会增加,原因在于电感增加,电流上升的速度变慢,这样芯片就有更多的时间散热,因此最后测量的雪崩能量值会增加。这其中存在动态热阻和热容的问题,以后再论述这个问题。雪崩的损坏方式图 3 显示了 UIS 工作条件下,器件雪崩损坏以及器件没有损坏的状态。图 3UIS 损坏波形事实上,器件在 UIS 工作条件下的雪崩损坏有两种模式:热损坏和寄生三
8、极管导通损坏。热损坏就是功率 MOSFE 在功率脉冲的作用下,由于功耗增加导致结温升高,结温升高到硅片特性允许的临界值,失效将发生。寄生三极管导通损坏:在 MOSFE 内部,有一个寄生白三极管(见图 4),通常三级管的击穿电压通常低于 MOSFET 勺电压。当 DS 的反向电流开始流过 P 区后,Rp 和 Rc 产生压降,Rp 和 Rc 的压降等于三极管 BJT 的 VBEon)由于局部单元的不一致,那些弱的单元,由于基级电流旧增加和三级管的放大作用促使局部的三极管 BJT 导通,从而导致失控发生。此时,栅极的电压不再能够关断 MOSFET图 4 寄生三极管导通在图 4 中,Rp 为源极下体内收缩区的电阻,Rc 为接触电阻,Rp 和 Rc 随温度增加而增加,射极和基极的开启电压 VBE随温度的增加而降低。因此,UIS 的能力随度的增加而降低。图 5UIS 损坏模式(VDD=150VL=1mH 起始温度 25C)在什么的应用条件下要考虑雪崩能量从上面的分析就可以知道,对于那些在 MOSFET 勺 D 和 S 极产生较大电压的尖峰应用,就要考虑器件的雪崩能量,电压的尖峰所集中的能量主要由电感和电流所决定,因此对于反激的应用,MOSFE 袋断时会产生较大的电压尖峰。通常的情况下,功率器件都会降额,从而留有足够的电压余
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