理解功率MOSFET的UIS及雪崩能量:第一篇-凡亿课堂

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。

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：

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：

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。

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：

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。