凡亿专栏 | 理解功率MOSFET的UIS及雪崩能量:第一篇
理解功率MOSFET的UIS及雪崩能量:第一篇


功率MOSFET的数据表中,通常列出了包括单脉冲雪崩能量EAS、单脉冲雪崩电流IAS、重复脉冲雪崩能量EAR、重复脉冲雪崩电流IAR等参数,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系统的影响,以及在哪些应用条件下需要考虑这些参数。


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这些问题将分几个篇幅,结合功率MOSFET在非钳位感性开关条件下的工作状态来论述。


1、雪崩能量的含义


功率MOSFET的D、S极所加的电压逐渐增加时,内部P体区和N-漂移区PN结的耗尽层中产生的电场逐渐加强,少子在漂移过程中受到更大的加速,从而在与共价键中的价电子相碰撞时把价电子撞出共价键,产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被电场加速后又可能撞出更多的价电子。当D、S极电压达到一定的程度后,这种载流子雪崩式的倍增引起电流急剧的增加,从而产生雪崩击穿。


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。对于平面结构的器件,通常由于单元一致性较好,表现的是芯片整体温度的上升;对于采用新技术的高单元密度的器件,表现的是是芯片局部温度的上升。


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100~200μs)的热响应可以下式说明:

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其中,A是硅片面积,K常数与硅片的热性能相关。由上式可以得到:     

 

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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倍的器件额定电压。


2、雪崩能量的测量


雪崩能量通常在非钳位感性开关UIS条件下测量,通常包括二组值:单脉冲雪崩能量EAS和单脉冲雪崩电流IAS,重复脉冲雪崩能量EAR和重复脉冲雪崩电流IAR。


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,定义了多次雪崩状态下器件能够消耗的最大能量。单脉冲雪崩能量和雪崩电流的测试的电路有二种:去耦的EAS测量电路和非去耦的EAS测量电路,如图1、图2所示。


2.1 非去耦的EAS测量电路


图1中MOSFET为待测量的DUT,L为电感。待测量的MOSFET导通时,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,因此电感的能量对待测量的MOSFET的输出电容充电,电感的能量将转移到待测量的MOSFET中。


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图1:非去耦的EAS测量电路及波形


注意到,VDS电压最后的电压没有降到0,而是VDD。在关断区,图中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,因此非去耦的EAS测量电路测得的雪崩能量为:


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高压MOSFET的雪崩电压高,这种测量方式通常应用于高压的功率MOSFET。


2.2 非去耦的EAS测量电路


图2中上面的MOSFET为驱动管,待测量的MOSFET为DUT,L为电感,D为续流管。待测量的MOSFET和驱动管同时导通,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和驱动管同时关断,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,电感的能量对待测量的MOSFET的输出电容充电,电感的能量将全部转移到待测量的MOSFET中。

 

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图2:非去耦的EAS测量电路及波形


去耦的EAS测量电路测得的雪崩能量为:

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去耦的EAS测量电路实际测量的波形如图3所示,其中下面的波形是在UIS的条件下发生雪崩损坏时的失效波形。


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图3:去耦的EAS测量电路实际测量的波形


对于一些中、低压的器件,VDS - VDD变得很小,使用非去耦电路测量会产生较大的差异,因此对于中、低压的功率MOSFET,通常使用去耦的EAS测量电路。


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