輕松了解功率MOSFET的雪崩效應

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。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。典型的阻斷狀態漏電流在幾十皮安到幾百納安的數量級。

根據電路條件不同，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（通常是整個工作結溫范圍）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范圍內的BVdss數據或BVdss溫度系數。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）和升高的結溫（處于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（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雪崩額定值適用于由此產生的Vds和Id（這些術語假定為n溝道MOSFET，否則Vsd和Is適用于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并定義如下術語：

● 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值與裸芯有源面積成比例，單位為A/面積2

● 裸芯有源面積：包含有源MOSFET結構的MOSFET裸芯面積；占總裸芯面積的某個百分比

● 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，通常簡稱為裸芯表面或附近的最高溫度。

● 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，并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；對于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，具體取決于柵極驅動條件。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<<Vth，則源極電位可能會下降到器件雪崩所需的負值。然而，如果關斷時的柵極驅動使柵極電位為零，則源極電位只能降低到負值，直到器件重新導通。也就是說，Vgs變為正值并達到當器件處于飽和狀態時雪崩電流流動所需的值（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（因為電感存儲的能量減少到零）。這種“自激活”鉗位工作模式造成了一個潛在的問題，即熱失控。

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。例如一些燃油噴射系統、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（通常由于非常高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?？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受雪崩脈沖直至失效來確定的。大多數情況下，選擇一個固定的電感值，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沖之前返回到初始條件。

初始結溫由烘箱、強制通風或加熱塊控制。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?？梢耘渲脺y試電路，以便DUT用于使電感負載的電流上升或連接為二極管 (Vgs=0V)，并且更高的雪崩開關用于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（通常等于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)，并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）。第二個問題是關斷期間的柵極驅動灌電流能力。如果器件緩慢關斷，一些存儲的電感器能量會在開關轉換過程中消耗掉。如果關斷速度足夠慢，則可以避免雪崩。一般來說，功率MOSFET數據表UIS規范假定硬關斷事件，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)控制電感器電流。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于熱的失效。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（由于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可以指示熱失效機制。關于功率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工作點低于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，如果每個脈沖一開始的結溫狀態等于或低于規定的Tj(initial)值，則可以對任意數量的雪崩脈沖執行此操作。然而，由于HCI（熱載流子注入）機制，重復的雪崩脈沖可能會導致MOSFET參數偏移，具體取決于器件技術和操作條件。本系列文章后續將討論“重復雪崩”。

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)，并且針對Ipk(fail)測量中使用的電感值的新Ipk值進行調整。調整后的tav由以下公式給出：tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低額定值的Ipk函數由Ipk=B*tav-α給出，其中新的降額系數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。