MOSFET雪崩能量的應(yīng)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(fù)脈沖雪崩能量EAR等參數(shù)，而許多電子工程師在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的過(guò)程中，很少考慮到這些參數(shù)與電源系統(tǒng)的應(yīng)用有什么樣的聯(lián)系，如何在實(shí)際的應(yīng)用中評(píng)定這些參數(shù)對(duì)其的影響，以及在哪些應(yīng)用條件下需要考慮這些參數(shù)。這里將論述這些問(wèn)題，同時(shí)探討功率MOSFET在非鉗位感性開(kāi)關(guān)條件下的工作狀態(tài)。

　　EAS，IAR和EAR的定義及測(cè)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(dǎo)體對(duì)快速功率脈沖(時(shí)間為100～200μs)的熱響應(yīng)可以由式1說(shuō)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(shí)間。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間在低電流下測(cè)量雪崩能量時(shí)，消耗的功率將使器件的溫度升高，器件的失效電流由其達(dá)到的峰值溫度所決定。如果器件足夠牢靠，溫度不超過(guò)最高的允許結(jié)溫，就可以維持測(cè)量。在此過(guò)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(kāi)關(guān)UIS條件下測(cè)量。其中，有兩個(gè)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(fù)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(cè)量電路及波形。其中，驅(qū)動(dòng)MOSFET為Q1，待測(cè)量的MOSFET為DUT，L為電感，D為續(xù)流管。待測(cè)量的MOSFET和驅(qū)動(dòng)MOSFET同時(shí)導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)間tp后，電感電流達(dá)到最大值;然后待測(cè)量的MOSFET和驅(qū)動(dòng)MOSFET同時(shí)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(lái)的大小和方向，因此續(xù)流二極管D導(dǎo)通。

　　圖1 VDD去耦的EAS測(cè)量圖

　　由于MOSFET的DS之間有寄生電容，因此，在D導(dǎo)通續(xù)流時(shí)，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(chǔ)存的能量應(yīng)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(huì)有這樣的情況?從實(shí)際的波形上看，MOSFET的DS區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)反并聯(lián)的二極管。由于這個(gè)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(duì)應(yīng)穩(wěn)壓管的鉗位電壓也就是 V(BR)DSS時(shí)，VDS的電壓就不會(huì)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(shí)，MOSFET工作于雪崩區(qū)，V(BR)DSS就是雪崩電壓，對(duì)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(shí)，由于雪崩電壓是正溫度系數(shù)，當(dāng)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(dòng)平衡，流過(guò)更多的電流以提高溫度從而提高雪崩電壓。另外，測(cè)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。