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。

方程 (3) 也可用于重复脉冲的应用。重复脉冲的瞬态热阻可以下式表示：

其中，

t_{1}： 功率脉冲宽度
t_{2}：功率脉冲周期

方程 (4) 适用于无限脉冲串。在功率脉冲数目有限的情况下，应将公式第 1 项的 r jc 替换成 z jc(t)。假设：在应用于开关电源的mosfet 的源漏电压超过了产品数据表中所规定延迟时间内（在做短路测试时）的最大额定电压值。这个特定的情况下：fqa9n90c 作为开关器件、tav=100ns、脉冲周期=9.2 s、保护电路触发延迟时间=20ms。这时，瞬态热阻将为：

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

如果假设雪崩期间的功率损耗为 5kw，结区温度将升高为：

t=5kw 0.00274℃/w=13.7℃

这个额外的结区温度增加是由雪崩击穿所造成。因此，系统设计人员应首先计算正常工作情况下的结区温度，然后再加上上面算出的增量，以得出雪崩期间的瞬态结区温度。这个温度应当保持于最大允许结区温度以下的水平，并且根据具体情况保留一定的安全余量。

结论

系统设计人员常常需要确定功率 mosfet 在其应用中的适用性。这项工作可利用雪崩模式分析和/或结区温度分析来进行，而两种方法都非常实用和可行。