KA_IX

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理解雪崩强度(功率MOSFET电路设计必备)

2021-3-31 15:15:55 显示全部楼层
功率MOSFET的雪崩强度限值是衡量器件针对于感性负载在开关动作应用中的重要参数。清楚地理解雪崩强度的定义,失效的现象及评估的方法是功率MOSFET电路设计必备的能力。本文将以下面三个方面进行探讨:
  • 雪崩能量的定义及相关参数
  • 雪崩强度限值超限的失效
  • 雪崩强度限值的计算与评估

1. 雪崩能量的定义和相关参数
雪崩击穿的定义:

材料掺杂浓度较低的PN结中,当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴,就会在电场作用下,使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子,又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应,使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加,流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结,这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击穿,也称为电子雪崩现象。


MOSFET的雪崩现象:

在感性负载的电路应用中,MOSFET导通时对感性负载充电,电感积聚能量;当MOSFET关闭时,感性负载中积聚的能量释放,引起MOSFET漏极和源极间电压急速上升,并有电流流过,直至能量释放结束,电流和电压降至为零,这个过程就是MOSFET中雪崩的现象,如下面的图1,图2,图3。

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在图2中,MOSFET关闭时所承受的能量冲击被钳在了击穿电压VBR上,虽然datasheet中没有给出具体的VBR值,但我们可以根据已知的V(BR)DSS值估算出。VBR≈3*V(BR)DSS。

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在图4中,雪崩电流最大值IDS(AL)S和电流衰减时间tAL,及图5中的雪崩功率PDS(AL)M都和感性负载的感值,MOSFET关闭前电流的最大值有关。


2. 雪崩强度限值超限的失效
超过了雪崩强度限值EDS(AL)S和IAS就有可能发生元件失效。
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很多工程师都会有这样的经历,当你将失效的MOSFET发给供应商进行分析的时候,供应商报告的结论往往都是EOS(电气过应力)。但我们希望得到的信息是元件哪里出现了损伤?有可能造成这种损伤的情况有哪些?

MOSFET的雪崩失效是一个短时间内的过热失效,所以通常在晶圆的某个位置会出现圆点的失效点。如下图所示。
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通常持续ms级别的雪崩失效,失效圆点往往出现在连接引线和晶圆结合的位置,因为这里的电流密度较高。
持续us级别的雪崩失效,失效圆点往往可能发生在晶圆的任意地方。

3. 雪崩强度限值的计算与评估

单次雪崩时间的失效机理就是结合点的温度超出了最大温度限值。所以要通过计算或是电路仿真的方法来确保MOSFET的使用在雪崩限值以下。

计算的方法:
计算时需要注意的两点:
1. 雪崩事件是发生在MOSFET关闭之后的,那么关闭之前MOSFET的结合点已经达到了一定的温度,那么Tjmax=Tj_ON+delta_Tj_(AL)。
2. delta_Tj_(AL)=PDS(AL)M*tAL*Zth_tAL,这里的Zth_tAL需要从脉冲热阻曲线中获得。
仿真的方法:
仿真的方法相对简单,只需要搭建出原理图和MOSFET热阻模型,便可以轻松快速地获得雪崩事件中MOSFET结合点的温度。

雪崩强度是功率MOSFET重要的性能参数指标,也是设计者在电路设计中需要提前预防的要点。希望本文能够帮助大家缕清雪崩事件的前因后果,让设计的电路鲁棒性更强。


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阿常

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