MOSFET雪崩能量的应用考虑

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 在功率MOSFET的数据表中,通常包括单脉冲雪崩能量EAS,雪崩电流IAR,重复脉冲雪崩能量EAR等参数,而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其的影响,以及在哪些应用条件下需要考虑这些参数。这里将论述这些问题,同时探讨功率MOSFET在非钳位感性开关条件下的工作状态。

  EAS,IAR和EAR的定义及测量

  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,而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)的热响应可以由式1说明:

  

公式

  (1)
 

  其中,A是硅片面积,K常数与硅片的热性能相关。由式(1)得:

  

公式

  (2)

 

  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倍器件额定电压。

  雪崩能量通常在非钳位感性开关UIS条件下测量。其中,有两个值EAS和EAR,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。雪崩能量依赖于电感值和起始的电流值。

  图1为VDD去耦的EAS测量电路及波形。其中,驱动MOSFET为Q1,待测量的MOSFET为DUT,L为电感,D为续流管。待测量的MOSFET和驱动MOSFET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MOSFET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。

  

 VDD去耦的EAS测量图

 

  图1 VDD去耦的EAS测量图

  由于MOSFET的DS之间有寄生电容,因此,在D导通续流时,电感L和CDS形成谐振回路,L的电流降低使CDS上的电压上升,直到电感的电流为0,D自然关断,L中储存的能量应该全部转换到CDS中。

  如果电感L为0.1mH,IAS=10A,CDS=1nF,理论上,电压VDS为

  CDSVDS2=LIAS2 (3)

  VDS=3100V

  这样高的电压值是不可能的,那么为什么会有这样的情况?从实际的波形上看,MOSFET的DS区域相当于一个反并联的二极管。由于这个二极管两端加的是反向电压,因此处于反向工作区,随着DS的电压VDS增加,增加到接近于对应稳压管的钳位电压也就是 V(BR)DSS时,VDS的电压就不会再明显的增加,而是维持在V(BR)DSS值基本不变,如图1所示。此时,MOSFET工作于雪崩区,V(BR)DSS就是雪崩电压,对于单次脉冲,加在MOSFET上的能量即为雪崩能量EAS:

  EAS=LIAS2/2 (4)

  同时,由于雪崩电压是正温度系数,当MOSFET内部的某些单元温度增加,其耐压值也增加,因此,那些温度低的单元自动平衡,流过更多的电流以提高温度从而提高雪崩电压。另外,测量值依赖于雪崩电压,而在去磁期间,雪崩电压将随温度的增加而变化。