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引言 功率金屬氧化半導體場效應晶體管 (Power MOSFET) 是當今電源中廣泛使用的開關器件。功率 MOSFET 的工作頻率不斷提高，以減小器件尺寸和提高功率密度。這樣就會增加電流變化率 (di/dt)，增強了寄生電感的負面作用，導致功率 MOSFET 源極和漏極之間產生很高的電壓尖峰。這種尖峰電壓在器件上電時更為嚴重，因為在上電瞬間變壓器的初級電感幾乎達到漏感的水平，同時器件的體電容還未完成充電且電感較小。幸好功率 MOSFET 具有一定的抗過壓能力，因此無需外加成本高昂的保護電路。本文將解釋確定開關電源應用中功率 MOSFET 適用性的有效方法，同時為設計人員提供了如何使成本和可靠性達到最佳的平衡方案。 器件何時進入擊穿狀態 首先，必須弄清楚“雪崩擊穿”的含義。在實際應用中，器件過壓分為兩種情況。一種是功率 MOSFET 的源漏之間的電壓超過規定的最大絕對額定值，但還未達到器件的擊穿電壓。這種情況實際上不屬于雪崩擊穿的范疇，器件的適用性可通過分析結區溫度來確定。另一種情況是器件已擊穿并進入雪崩模式。當器件發生擊穿時，其源漏之間的電壓幅值將被鉗位到有效擊穿電壓的水平，而電流會通過寄生反并聯二極管整流。圖1所示為開關電源中典型的雪崩波形。源漏電壓超過 1kV，并能看到經整流的電流。 在大多數飛兆半導體的功率MOSFET數據圖表中，都包含如圖2所示的圖形。當器件發生擊穿時，便可利用這個圖通過簡單的參數來確定或評估器件對應用的適用性，這些參數包括：在雪崩期間通過功率MOSFET的峰值電流 (IAS)；在 UIS (自鉗制電感性開關)脈沖開端的結區溫度(Tj)；以及在雪崩時功率MOSFET保持的時間(tAV)。將 IAS 和 tAV 曲線繪制在圖表上，便可確定器件的 UIS 適應能力。 圖 2 所示的 UIS SOA (開關安全工作區) 圖有三個區域： 1）25 C 溫度線的右上部分； 2）最大結區溫度線的左下部分； 3）這兩條溫度線之間的區域。 區域 1 和區域 2 器件的適應性很容易確定：器件工作于 UIS 額定電壓內 (區域 2)，或超出了額定電壓 (區域 1)。但當器件落在區域 3 時，就需要知道 UIS脈沖在功率 MOSFET 開端時的結區溫度才能確定其適用性。結區溫度分析方法將于后面作詳細討論。 這個圖還可進行疊加處理以分析重復脈沖。每個 UIS 脈沖都會按單脈沖方式進行單獨分析。通常，功率脈沖串中的最后一個脈沖會在結區溫度最高點時出現，因此代表了最嚴重的應力。假如功率 MOSFET 處于最后一個脈沖所規定的 UIS額定電壓內，那一定會在之前結區溫度較低時所出現脈沖的 UIS 額定電壓范圍內。 估算結區溫度 一般來說，即使源極/漏極電壓超過絕對的最大額定值，功率 MOSFET 也很少發生擊穿。功率 MOSFET 的擊穿電壓 (BVDSS) 具備正向的溫度系數，如圖 3 所示。在本示例中，BVDSS 在 120℃時達到 990V。因此，溫度越高，擊穿器件所需的電壓越高。在許多情況下，功率 MOSFET 工作時的環境溫度超過 25℃，其結區溫度會因能量耗散而升至高于環境溫度。 而且，圖 3 中的 BVDSS 是在漏極電流為 250A 時的測量值。當擊穿真正發生時，漏極電流會大得多，而擊穿電壓甚至比圖中的值還要高。在實際應用中，真正的擊穿電壓會是額定低電流擊穿電壓值的 1.3 倍。 圖4所示為電壓幅值超過最大額定值但仍未發生擊穿的示例。該例中的源漏峰值電壓為 668V，但仍未發生擊穿。 盡管非正常的過壓尖峰不會導致器件擊穿，但為了確保器件的可靠性，功率MOSFET 的結區溫度應當保持于規定的最大結區溫度以下。器件的穩態結區溫度可表達為： T_{J}=P_{D}R_{ JC}+T_{C} (1) 其中， T_{J}：結區溫度 T_{C}：管殼溫度 P_{D}：結區能耗 R_{ JC}：穩態下結區至管殼的熱阻 不過在很多應用中，功率 MOSFET 中的能量是以脈沖方式耗散，而不是直流方式。當功率脈沖施加于器件上時，結區溫度峰值會隨峰值功率和脈沖寬度而變化。在某指定時刻的熱阻叫做瞬態熱阻，并由下式表達： Z_{ JC}(t)=r(t) R_{ JC} (2) 這里，r(t)是與熱容量相關，隨時間變化的因子。對于很窄的脈沖，r(t)非常小；但對于很寬的脈沖，r(t)接近1，而瞬態熱阻接近穩態熱阻。大多數功率 MOSFET 的數據表都具有與圖 5 類似的圖表。 按照這個曲線，結區溫度可由下式算出： T_{J}=P_{D}Z_{ JC}(t)+T_{C] (3) 例如，當施加1 s 的2kW 功率脈沖于 FQA11N90C 時上升溫度的計算，可由下式表達： T=P_{D}Z_{ JC}(1 s)=2000 1.49 10^{-3}≈3℃ 雖然施加的功率并不小，但溫度只升高了 3 ℃。注意：該數據表中給出的額定功耗是穩態額定功耗，而且在脈沖寬度較窄時，功率 MOSFET 甚至能承受更大的功率脈沖。 不過，在上面的例子中，功率脈沖寬度（t1）為1 s的瞬態熱阻沒有納入圖 5 中。在脈沖時間太短及超出圖示范圍的情況下，單一脈沖的瞬態熱阻與時間的平方根成正比，即 Z_{ JC}(1 s)由下式給出： 其中Z_{ JC}(10 s)從圖 5 獲取。 上式給出的熱響應關系建基于長方形的功率脈沖。而任意形狀的脈沖也可得到相應的熱響應關系，但其數學算式會很復雜，因此通常會將任意形狀的脈沖轉換成等效的長方形脈沖，以方便計算。圖 6 給出了三角形和正弦波功率脈沖的示例。 方程 (3) 也可用于重復脈沖的應用。重復脈沖的瞬態熱阻可以下式表示： 其中， t_{1}： 功率脈沖寬度 t_{2}：功率脈沖周期 方程 (4) 適用于無限脈沖串。在功率脈沖數目有限的情況下，應將公式第 1 項的 R JC 替換成 Z JC(t)。假設：在應用于開關電源的MOSFET 的源漏電壓超過了產品數據表中所規定延遲時間內（在做短路測試時）的最大額定電壓值。這個特定的情況下：FQA9N90C 作為開關器件、tAV=100ns、脈沖周期=9.2 s、保護電路觸發延遲時間=20ms。這時，瞬態熱阻將為： Z_{ JC}(t)=0.01 Z_{ JC}(20ms)+(1-0.01) Z_{ JC}(9.3 s)+ Z_{ JC}(100ns)-Z_{ JC}(9.2 s)=0.00274 如果假設雪崩期間的功率損耗為 5kW，結區溫度將升高為： T=5kW 0.00274℃/W=13.7℃ 這個額外的結區溫度增加是由雪崩擊穿所造成。因此，系統設計人員應首先計算正常工作情況下的結區溫度，然后再加上上面算出的增量，以得出雪崩期間的瞬態結區溫度。這個溫度應當保持于最大允許結區溫度以下的水平，并且根據具體情況保留一定的安全余量。 結論 系統設計人員常常需要確定功率 MOSFET 在其應用中的適用性。這項工作可利用雪崩模式分析和/或結區溫度分析來進行，而兩種方法都非常實用和可行。 |
