0 引言

    功率MOSFET管在一些極端的邊界條件下的實(shí)際應(yīng)用中，如系統(tǒng)的輸出短路及過(guò)載測(cè)試,，輸入過(guò)電壓測(cè)試以及動(dòng)態(tài)的老化測(cè)試中,，有時(shí)會(huì)發(fā)生過(guò)壓的損壞。過(guò)壓損壞通常直接理解為雪崩失效損壞,，因?yàn)檠┍赖倪^(guò)程伴隨著過(guò)壓的現(xiàn)象,。因此，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中,，定義了在非箝位感性負(fù)載開(kāi)關(guān)條件下,，雪崩電流和雪崩能量的額定值，有些公司還給出了大單脈沖和多脈沖條件下,，參考雪崩電流和雪崩能量的額定值考查功率MOSFET抗過(guò)壓雪崩的能力,。

    數(shù)據(jù)表中雪崩電流和雪崩能量的額定值對(duì)應(yīng)著一定的測(cè)試條件，特別是不同的公司有時(shí)候使用不同的測(cè)量電感值,，導(dǎo)致工程師無(wú)法在相同的條件下進(jìn)行比較,；即便是使用相同的測(cè)量電感值，系統(tǒng)的工作條件和數(shù)據(jù)表中給定的測(cè)試并不相同,。功率MOSFET管數(shù)據(jù)表中,，所使用的電感比實(shí)際應(yīng)用的電感值要大很多，如對(duì)于低壓功率MOSFET,，額定電壓低于30 V,，行業(yè)內(nèi)采用的測(cè)試雪崩能量的電感值為0.1 mH。過(guò)去，只有在低工作頻率和大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中,，才會(huì)發(fā)生非箝位感性負(fù)載開(kāi)關(guān)的雪崩現(xiàn)象,，而在這種使用中，電機(jī)的電感比較大,，行業(yè)內(nèi)就采用大電感來(lái)評(píng)估功率MOSFET管的雪崩能力,。因此，數(shù)據(jù)表中雪崩能量只具有參考的價(jià)值,，本文將詳細(xì)地討論這些問(wèn)題,，從而更加明確地理解功率MOSFET的雪崩能量。

1 數(shù)據(jù)表中雪崩能量值

    雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中標(biāo)示為I_AV,，雪崩能量代表功率MOSFET管抗過(guò)電壓沖擊的能力,。在測(cè)試雪崩能量過(guò)程中，選取一定的電感值,，然后將電流增大,，也就是功率MOSFET開(kāi)通的時(shí)間增加，電流也就越大,，然后關(guān)斷,，重復(fù)這個(gè)開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程，直到功率MOSFET損壞,，對(duì)應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流,。注意到在測(cè)量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在非箝位感性負(fù)載開(kāi)關(guān)UIS狀態(tài)下,，具體的測(cè)試電路及其工作原理可以參考文獻(xiàn)[1-7],。

    在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱(chēng)的I_AV通常要將前面的測(cè)試值做70%或80%降額處理,，因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù),。功率MOSFET供應(yīng)商會(huì)對(duì)這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線(xiàn)上做100%全部檢測(cè)，因?yàn)樵趯?shí)際的測(cè)試中,，雪崩的電流有降額,，因此不會(huì)損壞功率MOSFET管。

    采用的電感值不同,，雪崩的電流值也不同,，因此雪崩能量也不同。對(duì)于不同的工藝和平臺(tái),，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在大電感的時(shí)候,，其中一個(gè)功率MOSFET管的雪崩能量比另一個(gè)大，但是,，在小電感的時(shí)候,，前者的雪崩能量反而小于后者,。不同的電子系統(tǒng)中，負(fù)載的電感值并不相同,，因此,，對(duì)于一個(gè)功率MOSFET管，需要研究在不同的電感條件下雪崩的能力,。

2 使用不同電感測(cè)量雪崩能量

    本文研究的功率MOSFET管為AON6232A，額定電壓40 V,，導(dǎo)通電阻2.9 mΩ,，封裝DNF5*6。使用的電感值分別為：500 nH,、10 μH,、100 μH。在許多開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中,，最?lèi)毫拥臈l件是電感或變壓器發(fā)生飽和,，這樣儲(chǔ)能的電感主要為線(xiàn)路的寄生電感，功率回路寄生電感通常為200～500 nH,，本文使用500 nH的電感值,。將損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼，就可以得到露出的硅片正面失效損壞的形態(tài),。測(cè)量的結(jié)果,、波形及失效損壞的圖片分別如圖1和圖2所示。

3 不同電感值損壞的模式分析

    從圖1可以看到,，隨著電感值的降低,，雪崩電流及雪崩能量也隨著降低，但它們之間并不是線(xiàn)性降低,，特別是雪崩能量,，降低的幅度更大。主要的原因在于,，當(dāng)電感值降低時(shí),，功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的電流急劇增加，在同樣的測(cè)試電壓時(shí),，小的電感導(dǎo)致電感電流也就是流過(guò)功率MOSFET管的電流的di/dt也急劇增加,。功率MOSFET管損壞的直接原因是因?yàn)榧訜岷螽a(chǎn)生的熱量不能及時(shí)地耗散出去，導(dǎo)致局部的單元過(guò)熱而損壞,。

    小的電感產(chǎn)生di/dt大,，同樣的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量大，由于內(nèi)部熱容的延遲效應(yīng),，熱量并不能及時(shí)耗散出去,，因此,，相比大電感的測(cè)試條件，功率MOSFET管在小電感的雪崩電流及雪崩能量明顯降低,。

    從V_DS波形來(lái)看,，可以看到明顯的電壓箝位，也就是電壓平臺(tái),，這也是真正的雪崩電壓值,。功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的位置在關(guān)斷過(guò)程中，V_DS的電壓發(fā)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置,?？梢钥吹剑姼性叫?，損壞發(fā)生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電壓越高,，這也表明，在小電感時(shí),，功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的速度更快,。

    功率MOSFET管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖3所示，其內(nèi)部有一個(gè)寄生三極管,，在關(guān)斷過(guò)程中,，如果大的電流流過(guò)寄生三極管的Rb，那么寄生三極管導(dǎo)通,，電流將集中寄生三極管導(dǎo)通的局部區(qū)域,，而三極管是負(fù)溫度系數(shù)：溫度越高，流過(guò)局部區(qū)域的電流越大,，溫度進(jìn)一步增大,，從而導(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點(diǎn)而損壞。

    在關(guān)斷的過(guò)程中,，流過(guò)R_b的電流由3部分電流組成：(1)從溝道中偏移到體內(nèi)的電流,；(2)寄生二極管的反向電流；(3)由dv/dt和C_ds產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電流,。因此,，大電流快速關(guān)斷時(shí)，流過(guò)R_b的電流最大,，寄生三極管最容易發(fā)生導(dǎo)通,，從而損壞功率MOSFET管。在一些極端的條件下,，由于內(nèi)部寄生三極管更早地導(dǎo)通,，甚至在電壓的波形上，看不到箝位的電壓平臺(tái),，就直接損壞,。

    從失效的圖片來(lái)看,，電感越小，產(chǎn)生損壞的區(qū)域也越大,，主要的原因是電感小時(shí),，雪崩的電流大，大電流的沖擊形成更大的損壞區(qū)域,。電感小時(shí),，雪崩的電流小，硅片的溫度相對(duì)上升得慢,，內(nèi)部更容易平衡,，失效的形態(tài)是在硅片中間的某一個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)較小的擊穿小孔洞，通常稱(chēng)為熱點(diǎn),，其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^(guò)壓而產(chǎn)生雪崩擊穿。硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置,，也是最容易產(chǎn)生熱點(diǎn)的地方,。

    小電感發(fā)生雪崩時(shí)，產(chǎn)生的電流更大,，損壞的區(qū)域更靠近功率MOSFET的S極,，這是因?yàn)樵诖箅娏鲿r(shí)，全部流過(guò)功率MOSFET,，所有的電流全部要匯集中S極,，這樣，S極附近區(qū)域更易產(chǎn)生電流集中,，因此溫度最高,，也最容易產(chǎn)生損壞。

4 結(jié)論

    (1)功率MOSFET的雪崩能量受電感值的影響,，電感越小,，雪崩電流越大，而雪崩的能量越低,，而且,，雪崩電流及雪崩能量和測(cè)試電感并沒(méi)有線(xiàn)性的關(guān)系。

    (2)小電感雪崩時(shí),，更大的電流和更快的電流上升率,，由此產(chǎn)生更快的溫度上升率，能量不能及時(shí)耗散出去,，是導(dǎo)致小電感雪崩能量急劇降低的原因,。

    (3)大電感雪崩產(chǎn)生損壞的區(qū)域小，小電感雪崩由于大電流沖擊產(chǎn)生損壞的區(qū)域大,，而且損壞距離更靠近S極,。小電感條件下,，大電流快速關(guān)斷更容易導(dǎo)致內(nèi)部寄生三極管導(dǎo)通，損壞器件,。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉松.理解功率MOSFET的UIS[J].今日電子,，2010(4)：52-54.

[2] 劉松，葛小榮.理解功率MOSFET的電流[J].今日電子,，2011：35-37.

[3] 劉松,，陳均，林濤.功率MOS管Rds(on)負(fù)溫度系數(shù)對(duì)負(fù)載開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)影響[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2010,，12(36)：72-74.

[4] 劉松，張龍,，王飛,開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013，39(3)：64-66.

[5] 劉松.理解功率MOSFET的Rds(on)溫度系數(shù)特性[J].今日電子,，2009(11)：25-26.

[6] 劉松,，葛小榮.應(yīng)用于線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的中壓功率MOSFET的選擇[J].今日電子，2012(2)：36-38.

[7] 劉松.基于漏極導(dǎo)通區(qū)特性理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程[J].今日電子,，2008(11)：74-75.

[8] 劉松.理解功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗[J].今日電子,，2009(10)：52-55.