在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中，通常包括單脈沖雪崩能量EAS,，雪崩電流IAR,，重復(fù)脈沖雪崩能量EAR等參數(shù)，而許多電子工程師在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的過程中,，很少考慮到這些參數(shù)與電源系統(tǒng)的應(yīng)用有什么樣的聯(lián)系,，如何在實(shí)際的應(yīng)用中評定這些參數(shù)對其的影響，以及在哪些應(yīng)用條件下需要考慮這些參數(shù),。這里將論述這些問題,，同時探討功率MOSFET在非鉗位感性開關(guān)條件下的工作狀態(tài)。
EAS,，IAR和EAR的定義及測量
MOSFET的雪崩能量與器件的熱性能和工作狀態(tài)相關(guān),，其最終的表現(xiàn)就是溫度的上升，而溫度上升與功率水平和硅片封裝的熱性能相關(guān),。功率半導(dǎo)體對快速功率脈沖(時間為100～200μs)的熱響應(yīng)可以由式1說明：
(1)
其中,，A是硅片面積,，K常數(shù)與硅片的熱性能相關(guān)。由式(1)得：
(2)
其中,，tav是脈沖時間,。當(dāng)長時間在低電流下測量雪崩能量時，消耗的功率將使器件的溫度升高,，器件的失效電流由其達(dá)到的峰值溫度所決定,。如果器件足夠牢靠，溫度不超過最高的允許結(jié)溫,，就可以維持測量,。在此過程內(nèi)，結(jié)溫通常從25℃增加到TJMAX,，外部環(huán)境溫度恒定為25℃,，電流通常設(shè)定在ID的60%。雪崩電壓VAV大約為1.3倍器件額定電壓,。
雪崩能量通常在非鉗位感性開關(guān)UIS條件下測量,。其中，有兩個值EAS和EAR,，EAS為單脈沖雪崩能量,，定義了單次雪崩狀態(tài)下器件能夠消耗的最大能量;EAR為重復(fù)脈沖雪崩能量。雪崩能量依賴于電感值和起始的電流值,。
圖1為VDD去耦的EAS測量電路及波形。其中,，驅(qū)動MOSFET為Q1,，待測量的MOSFET為DUT，L為電感,，D為續(xù)流管,。待測量的MOSFET和驅(qū)動MOSFET同時導(dǎo)通，電源電壓VDD加在電感上,，電感激磁,，其電流線性上升，經(jīng)導(dǎo)通時間tp后,，電感電流達(dá)到最大值;然后待測量的MOSFET和驅(qū)動MOSFET同時關(guān)斷,，由于電感的電流不能突變，在切換的瞬間,，要維持原來的大小和方向,，因此續(xù)流二極管D導(dǎo)通。
圖1 VDD去耦的EAS測量圖
由于MOSFET的DS之間有寄生電容,，因此,，在D導(dǎo)通續(xù)流時,，電感L和CDS形成諧振回路，L的電流降低使CDS上的電壓上升,，直到電感的電流為0,，D自然關(guān)斷，L中儲存的能量應(yīng)該全部轉(zhuǎn)換到CDS中,。
如果電感L為0.1mH,，IAS=10A，CDS=1nF,，理論上,，電壓VDS為
CDSVDS2=LIAS2 (3)
VDS=3100V
這樣高的電壓值是不可能的，那么為什么會有這樣的情況?從實(shí)際的波形上看,，MOSFET的DS區(qū)域相當(dāng)于一個反并聯(lián)的二極管,。由于這個二極管兩端加的是反向電壓，因此處于反向工作區(qū),，隨著DS的電壓VDS增加,，增加到接近于對應(yīng)穩(wěn)壓管的鉗位電壓也就是 V(BR)DSS時，VDS的電壓就不會再明顯的增加,，而是維持在V(BR)DSS值基本不變,，如圖1所示。此時,，MOSFET工作于雪崩區(qū),，V(BR)DSS就是雪崩電壓，對于單次脈沖,，加在MOSFET上的能量即為雪崩能量EAS：
EAS=LIAS2/2 (4)
同時,，由于雪崩電壓是正溫度系數(shù)，當(dāng)MOSFET內(nèi)部的某些單元溫度增加,，其耐壓值也增加,，因此，那些溫度低的單元自動平衡,，流過更多的電流以提高溫度從而提高雪崩電壓,。另外，測量值依賴于雪崩電壓,，而在去磁期間,，雪崩電壓將隨溫度的增加而變化。
在上述公式中,，有一個問題,，那就是如何確定IAS?當(dāng)電感確定后，是由tp來確定的嗎?事實(shí)上，對于一個MOSFET器件,，要首先確定IAS,。如圖1所示的電路中，電感選定后,，不斷地增加電流,，直到將MOSFET完全損壞，然后將此時的電流值除以1.2或1.3,，即降額70%或80%,，所得到的電流值即為IAS。注意到IAS和L固定后,，tp也是確定的,。
過去，傳統(tǒng)的測量EAS的電路圖和波形如圖2所示,。注意到,，VDS最后的電壓沒有降到0，而是VDD,，也就是有部分的能量沒有轉(zhuǎn)換到雪崩能量中,。
圖2 傳統(tǒng)的EAS測量圖
在關(guān)斷區(qū)，圖2(b)對應(yīng)的三角形面積為能量,，不考慮VDD,，去磁電壓為VDS，實(shí)際的去磁電壓為VDS-VDD,，因此雪崩能量為
(5)
對于一些低壓的器件,，VDS-VDD變得很小，引入的誤差會較大,，因此限制了此測量電路的在低壓器件中的使用,。
目前測量使用的電感，不同的公司有不同的標(biāo)準(zhǔn),，對于低壓的MOSFET，大多數(shù)公司開始趨向于用0.1mH的電感值,。通常發(fā)現(xiàn)：如果電感值越大,，盡管雪崩的電流值會降低，但最終測量的雪崩能量值會增加,，原因在于電感增加,，電流上升的速度變慢，這樣芯片就有更多的時間散熱,，因此最后測量的雪崩能量值會增加,。這其中存在動態(tài)熱阻和熱容的問題，以后再論述這個問題,。
雪崩的損壞方式
圖3顯示了UIS工作條件下,，器件雪崩損壞以及器件沒有損壞的狀態(tài),。
圖3 UIS損壞波形
事實(shí)上，器件在UIS工作條件下的雪崩損壞有兩種模式：熱損壞和寄生三極管導(dǎo)通損壞,。熱損壞就是功率MOSFET在功率脈沖的作用下,，由于功耗增加導(dǎo)致結(jié)溫升高，結(jié)溫升高到硅片特性允許的臨界值,，失效將發(fā)生,。
寄生三極管導(dǎo)通損壞：在MOSFET內(nèi)部，有一個寄生的三極管(見圖4),，通常三級管的擊穿電壓通常低于MOSFET的電壓,。當(dāng)DS的反向電流開始流過P區(qū)后，Rp和Rc產(chǎn)生壓降,，Rp和Rc的壓降等于三極管BJT的VBEon,。由于局部單元的不一致，那些弱的單元,，由于基級電流IB增加和三級管的放大作用促使局部的三極管BJT導(dǎo)通,，從而導(dǎo)致失控發(fā)生。此時,，柵極的電壓不再能夠關(guān)斷MOSFET,。
圖4 寄生三極管導(dǎo)通
在圖4中，Rp為源極下體內(nèi)收縮區(qū)的電阻,，Rc為接觸電阻,，Rp和Rc隨溫度增加而增加，射極和基極的開啟電壓VBE隨溫度的增加而降低,。因此,，UIS的能力隨度的增加而降低。
圖5 UIS損壞模式(VDD=150V,，L=1mH,，起始溫度25℃)
在什么的應(yīng)用條件下要考慮雪崩能量
從上面的分析就可以知道，對于那些在MOSFET的D和S極產(chǎn)生較大電壓的尖峰應(yīng)用,，就要考慮器件的雪崩能量,，電壓的尖峰所集中的能量主要由電感和電流所決定，因此對于反激的應(yīng)用,，MOSFET關(guān)斷時會產(chǎn)生較大的電壓尖峰,。通常的情況下，功率器件都會降額,，從而留有足夠的電壓余量,。但是，一些電源在輸出短路時，初級中會產(chǎn)生較大的電流,，加上初級電感,，器件就會有雪崩損壞的可能，因此在這樣的應(yīng)用條件下,，就要考慮器件的雪崩能量,。
另外，由于一些電機(jī)的負(fù)載是感性負(fù)載,，而啟動和堵轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生極大的沖擊電流,，因此也要考慮器件的雪崩能量。