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)的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中，有時會發(fā)生過壓的損壞。過壓損壞通常直接理解為雪崩失效損壞，因?yàn)檠┍赖倪^程伴隨著過壓的現(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應(yīng)著一定的測試條件，特別是不同的公司有時候使用不同的測量電感值，導(dǎo)致工程師無法在相同的條件下進(jìn)行比較；即便是使用相同的測量電感值，系統(tǒng)的工作條件和數(shù)據(jù)表中給定的測試并不相同。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，如對于低壓功率MOSFET，額定電壓低于30 V，行業(yè)內(nèi)采用的測試雪崩能量的電感值為0.1 mH。過去，只有在低工作頻率和大電流的電機(jī)驅(qū)動中，才會發(fā)生非箝位感性負(fù)載開關(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)就采用大電感來評估功率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值，本文將詳細(xì)地討論這些問題，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管抗過電壓沖擊的能力。在測試雪崩能量過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開通的時間增加，電流也就越大，然后關(guān)斷，重復(fù)這個開通和關(guān)斷的過程，直到功率MOSFET損壞，對應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。注意到在測量雪崩能量時，功率MOSFET工作在非箝位感性負(fù)載開關(guān)UIS狀態(tài)下，具體的測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)稱的I_AV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個可以保證的參數(shù)。功率MOSFET供應(yīng)商會對這個參數(shù)在生產(chǎn)線上做100%全部檢測，因?yàn)樵趯?shí)際的測試中，雪崩的電流有降額，因此不會損壞功率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。對于不同的工藝和平臺，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在大電感的時候，其中一個功率MOSFET管的雪崩能量比另一個大，但是，在小電感的時候，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，對于一個功率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。在許多開關(guān)電源系統(tǒng)中，最惡劣的條件是電感或變壓器發(fā)生飽和，這樣儲能的電感主要為線路的寄生電感，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，功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的電流急劇增加，在同樣的測試電壓時，小的電感導(dǎo)致電感電流也就是流過功率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)生的熱量不能及時地耗散出去，導(dǎo)致局部的單元過熱而損壞。

    小的電感產(chǎn)生di/dt大，同樣的時間內(nèi)產(chǎn)生的能量大，由于內(nèi)部熱容的延遲效應(yīng)，熱量并不能及時耗散出去，因此，相比大電感的測試條件，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波形來看，可以看到明顯的電壓箝位，也就是電壓平臺，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)斷過程中，V_DS的電壓發(fā)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置?？梢钥吹?，電感越小，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，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)部有一個寄生三極管，在關(guān)斷過程中，如果大的電流流過寄生三極管的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)斷的過程中，流過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)生的動態(tài)電流。因此，大電流快速關(guān)斷時，流過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，就直接損壞。

    從失效的圖片來看，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，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，雪崩的電流小，硅片的溫度相對上升得慢，內(nèi)部更容易平衡，失效的形態(tài)是在硅片中間的某一個位置產(chǎn)生一個較小的擊穿小孔洞，通常稱為熱點(diǎn)，其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^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，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，全部流過功率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試電感并沒有線性的關(guān)系。

    (2)小電感雪崩時，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)

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