确定功率MOSFET的适用性

引言

功率金属氧化半导体场效应晶体管 (Power MOSFET) 是当今电源中广泛使用的开关器件。功率 MOSFET 的工作频率不断提高，以减小器件尺寸和提高功率密度。这样就会增加电流变化率 (di/dt)，增强了寄生电感的负面作用，导致功率 MOSFET 源极和漏极之间产生很高的电压尖峰。这种尖峰电压在器件上电时更为严重，因为在上电瞬间变压器的初级电感几乎达到漏感的水平，同时器件的体电容还未完成充电且电感较小。幸好功率 MOSFET 具有一定的抗过压能力，因此无需外加成本高昂的保护电路。本文将解释确定开关电源应用中功率 MOSFET 适用性的有效方法，同时为设计人员提供了如何使成本和可靠性达到最佳的平衡方案。

器件何时进入击穿状态

首先，必须弄清楚“雪崩击穿”的含义。在实际应用中，器件过压分为两种情况。一种是功率 MOSFET 的源漏之间的电压超过规定的最大绝对额定值，但还未达到器件的击穿电压。这种情况实际上不属于雪崩击穿的范畴，器件的适用性可通过分析结区温度来确定。另一种情况是器件已击穿并进入雪崩模式。当器件发生击穿时，其源漏之间的电压幅值将被钳位到有效击穿电压的水平，而电流会通过寄生反并联二极管整流。图1所示为开关电源中典型的雪崩波形。源漏电压超过 1kV，并能看到经整流的电流。 在大多数飞兆半导体的功率MOSFET数据图表中，都包含如图2所示的图形。当器件发生击穿时，便可利用这个图通过简单的参数来确定或评估器件对应用的适用性，这些参数包括：在雪崩期间通过功率MOSFET的峰值电流 (IAS)；在 UIS (自钳制电感性开关)脉冲开端的结区温度(Tj)；以及在雪崩时功率MOSFET保持的时间(tAV)。将 IAS 和 tAV 曲线绘制在图表上，便可确定器件的 UIS 适应能力。

图 2 所示的 UIS SOA (开关安全工作区) 图有三个区域：

1）25 C 温度线的右上部分；

2）最大结区温度线的左下部分；

3）这两条温度线之间的区域。

区域 1 和区域 2 器件的适应性很容易确定：器件工作于 UIS 额定电压内 (区域 2)，或超出了额定电压 (区域 1)。但当器件落在区域 3 时，就需要知道 UIS脉冲在功率 MOSFET 开端时的结区温度才能确定其适用性。结区温度分析方法将于后面作详细讨论。

这个图还可进行叠加处理以分析重复脉冲。每个 UIS 脉冲都会按单脉冲方式进行单独分析。通常，功率脉冲串中的最后一个脉冲会在结区温度最高点时出现，因此代表了最严重的应力。假如功率 MOSFET 处于最后一个脉冲所规定的 UIS额定电压内，那一定会在之前结区温度较低时所出现脉冲的 UIS 额定电压范围内。

估算结区温度

一般来说，即使源极/漏极电压超过绝对的最大额定值，功率 MOSFET 也很少发生击穿。功率 MOSFET 的击穿电压 (BVDSS) 具备正向的温度系数，如图 3 所示。在本示例中，BVDSS 在 120℃时达到 990V。因此，温度越高，击穿器件所需的电压越高。在许多情况下，功率 MOSFET 工作时的环境温度超过 25℃，其结区温度会因能量耗散而升至高于环境温度。

而且，图 3 中的 BVDSS 是在漏极电流为 250A 时的测量值。当击穿真正发生时，漏极电流会大得多，而击穿电压甚至比图中的值还要高。在实际应用中，真正的击穿电压会是额定低电流击穿电压值的 1.3 倍。

图4所示为电压幅值超过最大额定值但仍未发生击穿的示例。该例中的源漏峰值电压为 668V，但仍未发生击穿。

尽管非正常的过压尖峰不会导致器件击穿，但为了确保器件的可靠性，功率MOSFET 的结区温度应当保持于规定的最大结区温度以下。器件的稳态结区温度可表达为：

T_{J}=P_{D}R_{ JC}+T_{C} (1)

其中，

T_{J}：结区温度
T_{C}：管壳温度
P_{D}：结区能耗
R_{ JC}：稳态下结区至管壳的热阻

不过在很多应用中，功率 MOSFET 中的能量是以脉冲方式耗散，而不是直流方式。当功率脉冲施加于器件上时，结区温度峰值会随峰值功率和脉冲宽度而变化。在某指定时刻的热阻叫做瞬态热阻，并由下式表达： Z_{ JC}(t)=r(t) R_{ JC} (2)

这里，r(t)是与热容量相关，随时间变化的因子。对于很窄的脉冲，r(t)非常小；但对于很宽的脉冲，r(t)接近1，而瞬态热阻接近稳态热阻。大多数功率 MOSFET 的数据表都具有与图 5 类似的图表。

按照这个曲线，结区温度可由下式算出：

T_{J}=P_{D}Z_{ JC}(t)+T_{C] (3)

例如，当施加1 s 的2kW 功率脉冲于 FQA11N90C 时上升温度的计算，可由下式表达：

T=P_{D}Z_{ JC}(1 s)=2000 1.49 10^{-3}≈3℃ 虽然施加的功率并不小，但温度只升高了 3 ℃。注意：该数据表中给出的额定功耗是稳态额定功耗，而且在脉冲宽度较窄时，功率 MOSFET 甚至能承受更大的功率脉冲。

不过，在上面的例子中，功率脉冲宽度（t1）为1 s的瞬态热阻没有纳入图 5 中。在脉冲时间太短及超出图示范围的情况下，单一脉冲的瞬态热阻与时间的平方根成正比，即 Z_{ JC}(1 s)由下式给出：



其中Z_{ JC}(10 s)从图 5 获取。

上式给出的热响应关系建基于长方形的功率脉冲。而任意形状的脉冲也可得到相应的热响应关系，但其数学算式会很复杂，因此通常会将任意形状的脉冲转换成等效的长方形脉冲，以方便计算。图 6 给出了三角形和正弦波功率脉冲的示例。