【導讀】在關(guān)斷狀態(tài)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(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數量級。
在關(guān)斷狀態(tài)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(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)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(chēng)之為“BV”，通常是在給定溫度范圍（通常是整個(gè)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(shí)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(gè)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(guān)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(gè)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(shù)語(yǔ)“UIS”或“UIL”下指定雪崩額定值，“UIS”和“UIL”分別指“非鉗位電感開(kāi)關(guān)”和“非鉗位電感負載”。也就是說(shuō)，當驅動(dòng)未鉗位負載的MOSFET關(guān)斷時(shí)，功率MOSFET雪崩額定值適用于由此產(chǎn)生的Vds和Id（這些術(shù)語(yǔ)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(zhù)，我們繼續假設一個(gè)n溝道MOSFET并定義如下術(shù)語(yǔ)：
. Iav=雪崩電流
. Ipk=最大雪崩電流=MOSFET關(guān)斷時(shí)的值
. Ipk (fail)=MOSFET失效時(shí)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(gè)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(huì )發(fā)生變化）；Vav通常是在雪崩期間測得的平均Vds幅度
. tav=雪崩時(shí)間，通常定義為Iav從Ipk降至零所需的時(shí)間；即電感中存儲的能量減少到零的時(shí)間。
. Tj=MOSFFET結溫，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為裸芯表面或附近的最高溫度。
. Tj (intrinsic)=器件結變成導體時(shí)的MOSFET結溫（熱產(chǎn)生的載流子淹沒(méi)摻雜載流子）；在此溫度下，MOSFET通常會(huì )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(shí)稱(chēng)為Eav或Eas）=雪崩功率函數的時(shí)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(kāi)關(guān)關(guān)斷電路DUT（被測器件）是功率MOSFET器件。三角形表示柵極驅動(dòng)電路
圖3.MOSFET DUT的非鉗位電感關(guān)斷波形能量函數是功率函數的積分
高邊功率MOSFET（見(jiàn)圖4）可能會(huì )發(fā)生雪崩，具體取決于柵極驅動(dòng)條件。如果關(guān)斷時(shí)的柵極驅動(dòng)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(guān)斷基本電路
大多數應用在設計上通常不會(huì )將MOSFET關(guān)斷到未鉗位負載。但是，有些應用在設計上確實(shí)會(huì )切換未鉗位的電感負載。例如一些燃油噴射系統、ABS轉儲線(xiàn)圈和低成本、低功率螺線(xiàn)管負載，在這些負載中可以省去鉗位二極管的成本。
更常見(jiàn)的是，應用雪崩問(wèn)題和可能導致的器件失效是由PCB跡線(xiàn)和電纜布線(xiàn)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(guān)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(guān)斷，以及轉換器和逆變器拓撲結構中的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)過(guò)沖。MOSFET上的雪崩事件也可能由電源線(xiàn)上的瞬變引起（例如交流發(fā)電機負載突降）；雪崩操作不一定需要關(guān)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(guò)使器件樣品經(jīng)受雪崩脈沖直至失效來(lái)確定的。大多數情況下，選擇一個(gè)固定的電感值，并增加通過(guò)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(gè)Ipk增量之間允許有足夠的時(shí)間，以確保DUT結溫在下一個(gè)雪崩脈沖之前返回到初始條件。
初始結溫由烘箱、強制通風(fēng)或加熱塊控制。通常，UIS數據是在Tj(initial)=25 °C和至少一個(gè)升高的初始結溫（例如100°C）時(shí)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(kāi)關(guān)用于上升和關(guān)斷電感電流。比較圖5中的電路。在將DUT用作MOSFET開(kāi)關(guān)以使電流流入導體時(shí)，需要考慮兩個(gè)潛在問(wèn)題。
首先，在電流增加到Ipk的過(guò)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(huì )自發(fā)熱，從而增加了關(guān)斷時(shí)的初始結溫 Tj(initial)。要緩解這一問(wèn)題，可以施加足夠的 Vgs 柵極電壓來(lái)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(shí)間（從0A到Ipk的時(shí)間=L*Ipk/Vsupply）。第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)斷期間的柵極驅動(dòng)灌電流能力。如果器件緩慢關(guān)斷，一些存儲的電感器能量會(huì )在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中消耗掉。如果關(guān)斷速度足夠慢，則可以避免雪崩。一般來(lái)說(shuō)，功率MOSFET數據表UIS規范假定硬關(guān)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(dòng)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(kāi)關(guān)(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(gè)不同電感值的相關(guān)tav工作點(diǎn)。根據這組數據，可以生成給定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲線(xiàn)（見(jiàn)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(diǎn)可能代表基于熱的失效。功率函數Ipk=A*tav-α可以改寫(xiě)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(diǎn)而斷開(kāi)的保險絲）電流和斷開(kāi)（熔化）時(shí)間特性建模的典型表達式。從這個(gè)意義上說(shuō)，功率函數Ipk=A*Ipk-α可以指示熱失效機制。關(guān)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(guān)斷雪崩操作的SOA（安全工作區）（見(jiàn)圖7）。如果應用Ipk和tav工作點(diǎn)低于Ipk vs tav曲線(xiàn)和曲線(xiàn)的初始Tj，則器件可以安全運行。從熱管理角度來(lái)看，如果每個(gè)脈沖一開(kāi)始的結溫狀態(tài)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(huì )導致MOSFET參數偏移，具體取決于器件技術(shù)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(gè)初始結溫下雪崩時(shí)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(gè)百分比(X)，并且針對Ipk(fail)測量中使用的電感值的新Ipk值進(jìn)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(guò)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(yè)內通常為大約50%-75%之間。
本文轉載自：安森美
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
CITE2024開(kāi)展倒計時(shí) 等你來(lái)看大模型、芯片、機器人、智能駕駛……
矽知科技與傳感器專(zhuān)家網(wǎng)正式啟動(dòng)戰略合作 助力傳感器產(chǎn)業(yè)邁入萬(wàn)億級智能新時(shí)代
意法半導體和Mobile Physics合作開(kāi)發(fā)EnviroMeter，讓手機具有準確的空氣質(zhì)量監測功能
