【導(dǎo)讀】在關(guān)斷狀態(tài)下,功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級(jí)。
在關(guān)斷狀態(tài)下,功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級(jí)。
根據(jù)電路條件不同,在雪崩、MOSFET漏極或源極中,電流范圍可從微安到數(shù)百安。 額定擊穿電壓,也可稱之為“BV”,通常是在給定溫度范圍(通常是整個(gè)工作結(jié)溫范圍)內(nèi)定義的MOSFET器件的最小阻斷電壓(例如30V)。數(shù)據(jù)表中的BVdss值是在低雪崩電流(通常為250μA或1mA)和結(jié)溫=25°C時(shí)測(cè)得的器件雪崩電壓。數(shù)據(jù)表中通常也提供結(jié)溫范圍內(nèi)的BVdss數(shù)據(jù)或BVdss溫度系數(shù)。值得注意的是,功率MOSFET雪崩電壓是結(jié)溫和雪崩電流的強(qiáng)函數(shù)。
圖1顯示了三個(gè)溫度下的BVdss值作為額定電壓為30V的器件的雪崩電流的函數(shù)。下面的表1列出了不同功率MOSFET BV額定值的典型雪崩電壓范圍——在高雪崩電流(安培)和升高的結(jié)溫(處于或接近最大額定結(jié)溫)下測(cè)量。
圖1.額定電壓為30V的MOSFET器件的雪崩電壓與結(jié)溫和雪崩電流的關(guān)系
表1.不同BV等級(jí)的高Tj和高Iav條件下的典型雪崩電壓范圍
MOSFET在雪崩條件下工作的的功率函數(shù)(雪崩電壓*雪崩電流)可以具有任何形式。本文介紹了一個(gè)特定的雪崩功率函數(shù),它構(gòu)成了功率MOSFET數(shù)據(jù)表中雪崩額定值的基礎(chǔ)。MOSFET數(shù)據(jù)表通常在同義術(shù)語“UIS”或“UIL”下指定雪崩額定值,“UIS”和“UIL”分別指“非鉗位電感開關(guān)”和“非鉗位電感負(fù)載”。也就是說,當(dāng)驅(qū)動(dòng)未鉗位負(fù)載的MOSFET關(guān)斷時(shí),功率MOSFET雪崩額定值適用于由此產(chǎn)生的Vds和Id(這些術(shù)語假定為n溝道MOSFET,否則Vsd和Is適用于p溝道 MOSFET)波形。圖2顯示了基礎(chǔ)電路,圖3顯示了器件波形。接著,我們繼續(xù)假設(shè)一個(gè)n溝道MOSFET并定義如下術(shù)語:
. Iav=雪崩電流
. Ipk=最大雪崩電流=MOSFET關(guān)斷時(shí)的值
. Ipk (fail)=MOSFET失效時(shí)的最大雪崩電流(漏極到源極到柵極短路)
. Jpk,Jpk(fail):Ipk值與裸芯有源面積成比例,單位為A/面積2
. 裸芯有源面積:包含有源MOSFET結(jié)構(gòu)的MOSFET裸芯面積;占總裸芯面積的某個(gè)百分比
. Vav=雪崩電壓 (Vds)。Vav在雪崩期間通常不是恒定的(因?yàn)镮av和Tj會(huì)發(fā)生變化);Vav通常是在雪崩期間測(cè)得的平均Vds幅度
. tav=雪崩時(shí)間,通常定義為Iav從Ipk降至零所需的時(shí)間;即電感中存儲(chǔ)的能量減少到零的時(shí)間。
. Tj=MOSFFET結(jié)溫,通常簡(jiǎn)稱為裸芯表面或附近的最高溫度。
. Tj (intrinsic)=器件結(jié)變成導(dǎo)體時(shí)的MOSFET結(jié)溫(熱產(chǎn)生的載流子淹沒摻雜載流子);在此溫度下,MOSFET通常會(huì)失效,并具有漏極到源極到柵極永久短路的特性。能量(E,或有時(shí)稱為Eav或Eas)=雪崩功率函數(shù)的時(shí)間積分;對(duì)于雪崩中的純?nèi)呛瘮?shù),E=1/2*Vav*Ipk*tav
圖2.基本的非鉗位電感開關(guān)關(guān)斷電路DUT(被測(cè)器件)是功率MOSFET器件。三角形表示柵極驅(qū)動(dòng)電路
圖3.MOSFET DUT的非鉗位電感關(guān)斷波形能量函數(shù)是功率函數(shù)的積分
高邊功率MOSFET(見圖4)可能會(huì)發(fā)生雪崩,具體取決于柵極驅(qū)動(dòng)條件。如果關(guān)斷時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)器將柵極和源極電位放在一起,使 Vgs<
圖4.高邊非鉗位電感負(fù)載關(guān)斷基本電路
大多數(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)上通常不會(huì)將MOSFET關(guān)斷到未鉗位負(fù)載。但是,有些應(yīng)用在設(shè)計(jì)上確實(shí)會(huì)切換未鉗位的電感負(fù)載。例如一些燃油噴射系統(tǒng)、ABS轉(zhuǎn)儲(chǔ)線圈和低成本、低功率螺線管負(fù)載,在這些負(fù)載中可以省去鉗位二極管的成本。
更常見的是,應(yīng)用雪崩問題和可能導(dǎo)致的器件失效是由PCB跡線和電纜布線的未鉗位雜散電感、電阻器和電容器的ESL以及晶體管和二極管的封裝互連電感的關(guān)斷引起的。例如因短路失效(通常由于非常高Ipk值和低tav值)而關(guān)斷,以及轉(zhuǎn)換器和逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)過沖。MOSFET上的雪崩事件也可能由電源線上的瞬變引起(例如交流發(fā)電機(jī)負(fù)載突降);雪崩操作不一定需要關(guān)斷未鉗位的電感負(fù)載。然而,根據(jù)雪崩功率函數(shù)的組成,功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的UIS (UIL)數(shù)據(jù)通常可用于評(píng)估這些雪崩事件。
通常,MOSFET UIS的性能是通過使器件樣品經(jīng)受雪崩脈沖直至失效來確定的。大多數(shù)情況下,選擇一個(gè)固定的電感值,并增加通過電感的峰值電流,直到DUT(被測(cè)器件)失效(表現(xiàn)為漏極到源極到柵極短路)。在每個(gè)Ipk增量之間允許有足夠的時(shí)間,以確保DUT結(jié)溫在下一個(gè)雪崩脈沖之前返回到初始條件。
初始結(jié)溫由烘箱、強(qiáng)制通風(fēng)或加熱塊控制。通常,UIS數(shù)據(jù)是在Tj(initial)=25 °C和至少一個(gè)升高的初始結(jié)溫(例如100°C)時(shí)收集的??梢耘渲脺y(cè)試電路,以便DUT用于使電感負(fù)載的電流上升或連接為二極管 (Vgs=0V),并且更高的雪崩開關(guān)用于上升和關(guān)斷電感電流。比較圖5中的電路。在將DUT用作MOSFET開關(guān)以使電流流入導(dǎo)體時(shí),需要考慮兩個(gè)潛在問題。
首先,在電流增加到Ipk的過程中,MOSFET器件正在消耗功率(通常等于I2*Rds(on)),因此該器件可能會(huì)自發(fā)熱,從而增加了關(guān)斷時(shí)的初始結(jié)溫 Tj(initial)。要緩解這一問題,可以施加足夠的 Vgs 柵極電壓來降低 Rds(on),并使用盡可能高的電源電壓以最小化達(dá)到Ipk所需的時(shí)間(從0A到Ipk的時(shí)間=L*Ipk/Vsupply)。第二個(gè)問題是關(guān)斷期間的柵極驅(qū)動(dòng)灌電流能力。如果器件緩慢關(guān)斷,一些存儲(chǔ)的電感器能量會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中消耗掉。如果關(guān)斷速度足夠慢,則可以避免雪崩。一般來說,功率MOSFET數(shù)據(jù)表UIS規(guī)范假定硬關(guān)斷事件,確保幾乎所有電感器存儲(chǔ)的能量都被雪崩操作中的MOSFET耗散。
圖5.左側(cè)電路是基本自驅(qū)動(dòng)UIS測(cè)試電路。
右側(cè)電路是另一種測(cè)試電路,其中DUT配置為二極管,次級(jí)開關(guān)(SW)控制電感器電流。Vav(SW)>>Vav(DUT)。
收集的UIS數(shù)據(jù)是一組Ipk(fail)和幾個(gè)不同電感值的相關(guān)tav工作點(diǎn)。根據(jù)這組數(shù)據(jù),可以生成給定Tj(initial)下的Ipk(fail) vs tav曲線(見圖6)。數(shù)據(jù)應(yīng)該很好地?cái)M合Ipk=A*tav-α形式的功率函數(shù),其中A是常數(shù),α指數(shù)幅度通常約為0.5。這很重要,因?yàn)樗砻鱅pk失效操作點(diǎn)可能代表基于熱的失效。功率函數(shù)Ipk=A*tav-α可以改寫為A(1/α)=Ipk(1/α)*tav。如果α=0.5,我們得到結(jié)果Ipk2*tav=常數(shù)。這是對(duì)機(jī)械保險(xiǎn)絲(由于材料達(dá)到熔點(diǎn)而斷開的保險(xiǎn)絲)電流和斷開(熔化)時(shí)間特性建模的典型表達(dá)式。從這個(gè)意義上說,功率函數(shù)Ipk=A*Ipk-α可以指示熱失效機(jī)制。關(guān)于功率MOSFET UIS能力作為熱基失效的重要性和作用將在后面討論。
Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以生成數(shù)據(jù)表圖,可以將其視為功率MOSFET非鉗位電感關(guān)斷雪崩操作的SOA(安全工作區(qū))(見圖7)。如果應(yīng)用Ipk和tav工作點(diǎn)低于Ipk vs tav曲線和曲線的初始Tj,則器件可以安全運(yùn)行。從熱管理角度來看,如果每個(gè)脈沖一開始的結(jié)溫狀態(tài)等于或低于規(guī)定的Tj(initial)值,則可以對(duì)任意數(shù)量的雪崩脈沖執(zhí)行此操作。然而,由于HCI(熱載流子注入)機(jī)制,重復(fù)的雪崩脈沖可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET參數(shù)偏移,具體取決于器件技術(shù)和操作條件。本系列文章后續(xù)將討論“重復(fù)雪崩”。
圖6.Ipk(fail)數(shù)據(jù)作為兩個(gè)初始結(jié)溫下雪崩時(shí)間的函數(shù)
圖7.圖6的Ipk(fail) vs tav數(shù)據(jù)被降低額定值以形成數(shù)據(jù)表Ipk vs tav SOA圖
為了降低Ipk(fail)數(shù)據(jù)的額定值,Ipk(fail)值降低到原始值的某個(gè)百分比(X),并且針對(duì)Ipk(fail)測(cè)量中使用的電感值的新Ipk值進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的tav由以下公式給出:tav(de-rated) = L*Ipk(fail)*X/Vav。降低額定值的Ipk函數(shù)由Ipk=B*tav-α給出,其中新的降額系數(shù)B可通過以下方式計(jì)算:B=A*X*(1/X) -α,其中X是降額百分比。X值通常是保守的,業(yè)內(nèi)通常為大約50%-75%之間。
本文轉(zhuǎn)載自:安森美
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