MOSFET的UIS及雪崩能量解析.pdf
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MOSFET的UIS及雪崩能量解析.pdf
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MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的的的的UISUISUISUIS及雪崩能量解析及雪崩能量解析及雪崩能量解析及雪崩能量解析在功率的数据表中,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。
本文将论述这些问题,同时探讨功率MOSFET在非钳位感性开关条件下的工作状态。
EAS,IAR和EAR的定义及测量MOSFET的雪崩能量与器件的热性能和工作状态相关在功率的数据表中,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。
本文将论述这些问题,同时探讨功率MOSFET在非钳位感性开关条件下的工作状态。
EASEASEASEAS,IARIARIARIAR和和和和EAREAREAREAR的定义及测量的定义及测量的定义及测量的定义及测量MOSFET的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(时间为100200s)的热响应可以由式1说明:
(1)其中,A是硅片面积,K常数与硅片的热性能相关。
由式
(1)得:
(2)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25增加到TJMAX,外部环境温度恒定为25,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EAR,EAS为单脉冲雪崩能量,定义了单次雪崩状态下器件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去耦的EAS测量电路及波形。
其中,驱动MOSFET为Q1,待测量的MOSFET为DUT,L为电感,D为续流管。
待测量的MOSFET和驱动MOSFET同时导通,电源电压VDD加在电感上,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MOSFET和驱动MOSFET同时关断,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测量图由于MOSFET的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上的电压上升,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的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)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,MOSFET工作于雪崩区,V(BR)DSS就是雪崩电压,对于单次脉冲,加在MOSFET上的能量即为雪崩能量EAS:
EAS=LIAS2/2(4)同时,由于雪崩电压是正温度系数,当MOSFET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MOSFET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MOSFET完全损坏,然后将此时的电流值除以1.2或1.3,即降额70%或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(5)对于一些低压的器件,VDS-VDD变得很小,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。
雪崩的损坏方式雪崩的损坏方式雪崩的损坏方式雪崩的损坏方式图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:
热损坏和寄生三极管导通损坏。
热损坏就是功率MOSFET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MOSFET内部,有一个寄生的三极管(见图4),通常三级管的击穿电压通常低于MOSFET的电压。
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IB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=150V,L=1mH,起始温度25)在什么的应用条件下要考虑雪崩能量在什么的应用条件下要考虑雪崩能量在什么的应用条件下要考虑雪崩能量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的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,MOSFET关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量。
但是,一些电源在输出短路时,初级中会产生较大的电流,加上初级电感,器件就会有雪崩损坏的可能,因此在这样的应用条件下,就要考虑器件的雪崩能量。
另外,由于一些电机的负载是感性负载,而启动和堵转过程中会产生极大的冲击电流,因此也要考虑器件的雪崩能量。
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