功率MOSFET雪崩擊穿問題分析
M的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為
M=1/[1-(Vd/BV)n](7)
式中:BV為漏極同p-基極間電壓;
n為常數(shù)。
由式(4)及式(7)可得
1+γRb+(8a)
(8b)
1-=(1+γRb)(8c)
在“快回”點(diǎn),由式(8a)和式(8b)得
Id,SB-Ido=(1+γRb)Ib,SB=+0.6γ(9)
由式(6)及式(7)得
Vd,SB=BV[1+Rb(γ+Ido/0.6)]-1/n(10a)
Vd,SB=BV[0.6/RbId,SB]1/n(10b)
由式(10b)得
ID,SB=Ic,SB+Id,SB=Ic,SB+=Ic,SB+Ib,SB(11)
式(11)說明,ID,SB為MOSFET漏極寄生三極管集電極在二次擊穿時(shí)的電流的總和。式(10a)表明,雪崩擊穿電壓隨著Ido或Rb增大而減小。式(10b)則給出了雪崩擊穿的邊界電壓。
大量的研究和試驗(yàn)表明,Ic,SB很小。另外,由于寄生三極管的增益較大,故在雪崩擊穿時(shí),三極管基極電子、空穴重新結(jié)合所形成的電流,以及從三極管集電極到發(fā)射極空穴移動(dòng)所形成的電流,只占了MOSFET漏極電流的一小部分;所有的基極電流Ib流過Rb;當(dāng)Ib使基極電位升高到一定程度時(shí),寄生晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),MOSFET漏源極電壓迅速下降,發(fā)生雪崩擊穿故障。
雙極性器件在發(fā)生二次擊穿時(shí),集電極電壓會(huì)在故障瞬間很短時(shí)間內(nèi)(可能小于1ns)衰減幾百伏。這種電壓銳減主要是由雪崩式注入引起的,主要原因在于:二次擊穿時(shí),器件內(nèi)部電場(chǎng)很大,電流密度也比較大,兩種因素同時(shí)存在,一起影響正常時(shí)的耗盡區(qū)固定電荷,使載流子發(fā)生雪崩式倍增。
對(duì)于不同的器件,發(fā)生雪崩式注入的情況是不同的。對(duì)于雙極性晶體管,除了電場(chǎng)應(yīng)力的原因外,正向偏置時(shí)器件的熱不穩(wěn)定性,也有可能使其電流密度達(dá)到雪崩式注入值。而對(duì)于MOSFET,由于是多數(shù)載流子器件,通常認(rèn)為其不會(huì)發(fā)生正向偏置二次擊穿,而在反向偏置時(shí),只有電氣方面的原因能使其電流密度達(dá)到雪崩注入值,而與熱應(yīng)力無關(guān)。以下對(duì)功率MOSFET的雪崩擊穿作進(jìn)一步的分析。
如圖1所示,在MOSFET內(nèi)部各層間存在寄生二極管、晶體管(三極管)器件。從微觀角度而言,這些寄生器件都是器件內(nèi)部PN結(jié)間形成的等效器件,它們中的空穴、電子在高速開關(guān)過程中受各種因素的影響,會(huì)導(dǎo)致MOSFET的各種不同的表現(xiàn)。
導(dǎo)通時(shí),正向電壓大于門檻電壓,電子由源極經(jīng)體表反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極,之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn);漏極寄生二極管的反向漏電流會(huì)在飽和區(qū)產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時(shí),寄生二極管、晶體管的影響不大。
關(guān)斷時(shí),為使MOSFET體表反轉(zhuǎn)層關(guān)斷,應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或加反向電壓。這時(shí),溝道電流(漏極電流)開始減少,感性負(fù)載使漏極電壓升高以維持漏極電流恒定。漏極電壓升高,其電流由溝道電流和位移電流(漏極體二極管耗盡區(qū)生成的,且與dVDS/dt成比例)組成。漏極電壓升高的比率與基極放電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān);而后者是由漏-源極電容、漏極電流決定的。在忽略其它原因時(shí),漏極電流越大電壓會(huì)升高得越快。
如果沒有外部鉗位電路,漏極電壓將持續(xù)升高,則漏極體二極管由于雪崩倍增產(chǎn)生載流子,而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模式(Sustaining Mode)。此時(shí),全部的漏極電流(此時(shí)即雪崩電流)流過體二極管,而溝道電流為零。
由上述分析可以看出,可能引起雪崩擊穿的三種電流為漏電流、位移電流(即dVDS/dt電流)、雪崩電流,三者理論上都會(huì)激活寄生晶體管導(dǎo)通。寄生晶體管導(dǎo)通使MOSFET由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態(tài),從而發(fā)生雪崩擊穿。
4 雪崩擊穿時(shí)能量與溫度的變化
在開關(guān)管雪崩擊穿過程中,能量集中在功率器件各耗散層和溝道中,在寄生三極管激活導(dǎo)通發(fā)生二次擊穿時(shí),MOSFET會(huì)伴隨急劇的發(fā)熱現(xiàn)象,這是能量釋放的表現(xiàn)。以下對(duì)雪崩擊穿時(shí)能量耗散與溫升的關(guān)系進(jìn)行分析。
雪崩擊穿時(shí)的耗散能量與溫升的關(guān)系為
ΔθM∝(12)
雪崩擊穿開始時(shí),電流呈線性增長(zhǎng),增長(zhǎng)率為
di/dt=VBR/L(13)
式中:VBR為雪崩擊穿電壓(假設(shè)為恒定);
L為漏極電路電感。
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