電源應用中場效應晶體管的崩潰效應

　　前言：

　　在 SMPS(Switching Mode Power Supply) 以及 DC-DC 轉換器設計中 , 使用場效應晶體管當作切換開關已經(jīng)越來越普遍。在設計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。如此會造成較高的 di/dt 產(chǎn)生使得雜散電感效應加諸于場效應晶體管兩端 (Drain & Source) 的瞬間電壓會更加明顯。尤其在電源開機的霎那間 , 此瞬間電壓會達到最大值。這是由于變壓器一次側電感值相當于漏電感 ( 最小電感值 ) 而且輸出電容完全未充電的狀態(tài)所致。幸運的是一般場效應晶體管皆可承受高于某些程度的額定電壓范圍 , 在此條件范圍內設計者并不需要增加額外的保護線路以避免不必要的成本支出。此篇文章可帶領各位去判斷何種條件下對場效應晶體管所造成的影響 , 進而幫助設計者去衡量成本及可靠度以取得最佳的平衡點。

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

　　一般評估場效應晶體管的崩潰效應皆以單一脈沖 UIS 為基準。如圖一所示。此方式簡單的定義了幾個針對被測試組件的基本參數(shù)。例如在崩潰時間內所流經(jīng)場效應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), 以及崩潰時所經(jīng)過的時間 tAV 。 將 IAS 及 tAV 所對應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 , 而提供一個客觀且公正的衡量依據(jù)。

　　2. 2.過電壓產(chǎn)生的條件

　　在應用上 , 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)象可以藉由計算場效應晶體管接合面的溫度去判斷組件的操作能力。另外一種是指已達到崩潰的標準 , 并且崩潰已經(jīng)發(fā)生 , 這個時候 UIS 的評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

　　當場效應晶體管進入崩潰效應時 Drain 及 Source 電壓會被嵌制在其崩潰電壓 , 而電流會經(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。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。稍后會在后面舉例說明如何求出此接合面溫度。

　　UIS 的評估方式并不限于應用在單一脈沖上 , 針對連續(xù)性脈沖的應用上亦可藉由重疊定理 (Super-position) 來做分析。在連續(xù)性脈沖里 , 每一個脈沖皆可視為一個單一脈沖的 UIS 應用 。通常最后一個連續(xù)脈沖的發(fā)生皆是接合面溫度最高的時候。而這時候也是條件最嚴苛的情況。假使我們可以證明場效應晶體管最后一個連續(xù)脈沖的結果可以符合 UIS 的安全工作區(qū)域之內 , 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。因為之前的接合面溫度一定比最后一個連續(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 , 此時要讓場效應晶體管產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象其實是不常發(fā)生的。圖四所表示的曲線為場效應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 。當接合面溫度達到 120 ° C 時 , BVDSS 可達到將近 990V 。由此可知 , 在更高的接合面溫度條件下 , 場效應晶體管需要更高的 Drain 對 Source 的電壓以達到崩潰效應產(chǎn)生的必要條件。

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