確定功率MOSFET的適用性

引言

功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (power mosfet) 是當(dāng)今電源中廣泛使用的開關(guān)器件。功率 mosfet 的工作頻率不斷提高，以減小器件尺寸和提高功率密度。這樣就會增加電流變化率 (di/dt)，增強(qiáng)了寄生電感的負(fù)面作用，導(dǎo)致功率 mosfet 源極和漏極之間產(chǎn)生很高的電壓尖峰。這種尖峰電壓在器件上電時(shí)更為嚴(yán)重，因?yàn)樵谏想娝查g變壓器的初級電感幾乎達(dá)到漏感的水平，同時(shí)器件的體電容還未完成充電且電感較小。幸好功率 mosfet 具有一定的抗過壓能力，因此無需外加成本高昂的保護(hù)電路。本文將解釋確定開關(guān)電源應(yīng)用中功率 mosfet 適用性的有效方法，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供了如何使成本和可靠性達(dá)到最佳的平衡方案。

器件何時(shí)進(jìn)入擊穿狀態(tài)

首先，必須弄清楚“雪崩擊穿”的含義。在實(shí)際應(yīng)用中，器件過壓分為兩種情況。一種是功率 mosfet 的源漏之間的電壓超過規(guī)定的最大絕對額定值，但還未達(dá)到器件的擊穿電壓。這種情況實(shí)際上不屬于雪崩擊穿的范疇，器件的適用性可通過分析結(jié)區(qū)溫度來確定。另一種情況是器件已擊穿并進(jìn)入雪崩模式。當(dāng)器件發(fā)生擊穿時(shí)，其源漏之間的電壓幅值將被鉗位到有效擊穿電壓的水平，而電流會通過寄生反并聯(lián)二極管整流。圖1所示為開關(guān)電源中典型的雪崩波形。源漏電壓超過 1kv，并能看到經(jīng)整流的電流。 在大多數(shù)飛兆半導(dǎo)體的功率mosfet數(shù)據(jù)圖表中，都包含如圖2所示的圖形。當(dāng)器件發(fā)生擊穿時(shí)，便可利用這個(gè)圖通過簡單的參數(shù)來確定或評估器件對應(yīng)用的適用性，這些參數(shù)包括：在雪崩期間通過功率mosfet的峰值電流 (ias)；在 uis (自鉗制電感性開關(guān))脈沖開端的結(jié)區(qū)溫度(tj)；以及在雪崩時(shí)功率mosfet保持的時(shí)間(tav)。將 ias 和 tav 曲線繪制在圖表上，便可確定器件的 uis 適應(yīng)能力。

圖 2 所示的 uis soa (開關(guān)安全工作區(qū)) 圖有三個(gè)區(qū)域：

1）25 c 溫度線的右上部分；

2）最大結(jié)區(qū)溫度線的左下部分；

3）這兩條溫度線之間的區(qū)域。

區(qū)域 1 和區(qū)域 2 器件的適應(yīng)性很容易確定：器件工作于 uis 額定電壓內(nèi) (區(qū)域 2)，或超出了額定電壓 (區(qū)域 1)。但當(dāng)器件落在區(qū)域 3 時(shí)，就需要知道 uis脈沖在功率 mosfet 開端時(shí)的結(jié)區(qū)溫度才能確定其適用性。結(jié)區(qū)溫度分析方法將于后面作詳細(xì)討論。

這個(gè)圖還可進(jìn)行疊加處理以分析重復(fù)脈沖。每個(gè) uis 脈沖都會按單脈沖方式進(jìn)行單獨(dú)分析。通常，功率脈沖串中的最后一個(gè)脈沖會在結(jié)區(qū)溫度最高點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)，因此代表了最嚴(yán)重的應(yīng)力。假如功率 mosfet 處于最后一個(gè)脈沖所規(guī)定的 uis額定電壓內(nèi)，那一定會在之前結(jié)區(qū)溫度較低時(shí)所出現(xiàn)脈沖的 uis 額定電壓范圍內(nèi)。

估算結(jié)區(qū)溫度

一般來說，即使源極/漏極電壓超過絕對的最大額定值，功率 mosfet 也很少發(fā)生擊穿。功率 mosfet 的擊穿電壓 (bvdss) 具備正向的溫度系數(shù)，如圖 3 所示。在本示例中，bvdss 在 120℃時(shí)達(dá)到 990v。因此，溫度越高，擊穿器件所需的電壓越高。在許多情況下，功率 mosfet 工作時(shí)的環(huán)境溫度超過 25℃，其結(jié)區(qū)溫度會因能量耗散而升至高于環(huán)境溫度。

而且，圖 3 中的 bvdss 是在漏極電流為 250a 時(shí)的測量值。當(dāng)擊穿真正發(fā)生時(shí)，漏極電流會大得多，而擊穿電壓甚至比圖中的值還要高。在實(shí)際應(yīng)用中，真正的擊穿電壓會是額定低電流擊穿電壓值的 1.3 倍。

圖4所示為電壓幅值超過最大額定值但仍未發(fā)生擊穿的示例。該例中的源漏峰值電壓為 668v，但仍未發(fā)生擊穿。

盡管非正常的過壓尖峰不會導(dǎo)致器件擊穿，但為了確保器件的可靠性，功率mosfet 的結(jié)區(qū)溫度應(yīng)當(dāng)保持于規(guī)定的最大結(jié)區(qū)溫度以下。器件的穩(wěn)態(tài)結(jié)區(qū)溫度可表達(dá)為：

t_{j}=p_li494cgr_{ jc}+t_{c} (1)

其中，

t_{j}：結(jié)區(qū)溫度

t_{c}：管殼溫度

p_e40w9qu：結(jié)區(qū)能耗

r_{ jc}：穩(wěn)態(tài)下結(jié)區(qū)至管殼的熱阻

不過在很多應(yīng)用中，功率 mosfet 中的能量是以脈沖方式耗散，而不是直流方式。當(dāng)功率脈沖施加于器件上時(shí)，結(jié)區(qū)溫度峰值會隨峰值功率和脈沖寬度而變化。在某指定時(shí)刻的熱阻叫做瞬態(tài)熱阻，并由下式表達(dá)： z_{ jc}(t)=r(t) r_{ jc} (2)

這里，r(t)是與熱容量相關(guān)，隨時(shí)間變化的因子。對于很窄的脈沖，r(t)非常??；但對于很寬的脈沖，r(t)接近1，而瞬態(tài)熱阻接近穩(wěn)態(tài)熱阻。大多數(shù)功率 mosfet 的數(shù)據(jù)表都具有與圖 5 類似的圖表。

按照這個(gè)曲線，結(jié)區(qū)溫度可由下式算出：

t_{j}=p_ib4rowuz_{ jc}(t)+t_{c] (3)

例如，當(dāng)施加1 s 的2kw 功率脈沖于 fqa11n90c 時(shí)上升溫度的計(jì)算，可由下式表達(dá)：

t=p_yfvt9ybz_{ jc}(1 s)=2000 1.49 10^{-3}≈3℃ 雖然施加的功率并不小，但溫度只升高了 3 ℃。注意：該數(shù)據(jù)表中給出的額定功耗是穩(wěn)態(tài)額定功耗，而且在脈沖寬度較窄時(shí)，功率 mosfet 甚至能承受更大的功率脈沖。
不過，在上面的例子中，功率脈沖寬度（t1）為1 s的瞬態(tài)熱阻沒有納入圖 5 中。在脈沖時(shí)間太短及超出圖示范圍的情況下，單一脈沖的瞬態(tài)熱阻與時(shí)間的平方根成正比，即 z_{ jc}(1 s)由下式給出：

其中z_{ jc}(10 s)從圖 5 獲取。

上式給出的熱響應(yīng)關(guān)系建基于長方形的功率脈沖。而任意形狀的脈沖也可得到相應(yīng)的熱響應(yīng)關(guān)系，但其數(shù)學(xué)算式會很復(fù)雜，因此通常會將任意形狀的脈沖轉(zhuǎn)換成等效的長方形脈沖，以方便計(jì)算。圖 6 給出了三角形和正弦波功率脈沖的示例。

方程 (3) 也可用于重復(fù)脈沖的應(yīng)用。重復(fù)脈沖的瞬態(tài)熱阻可以下式表示：

其中，

t_{1}： 功率脈沖寬度
t_{2}：功率脈沖周期

方程 (4) 適用于無限脈沖串。在功率脈沖數(shù)目有限的情況下，應(yīng)將公式第 1 項(xiàng)的 r jc 替換成 z jc(t)。假設(shè)：在應(yīng)用于開關(guān)電源的mosfet 的源漏電壓超過了產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中所規(guī)定延遲時(shí)間內(nèi)（在做短路測試時(shí)）的最大額定電壓值。這個(gè)特定的情況下：fqa9n90c 作為開關(guān)器件、tav=100ns、脈沖周期=9.2 s、保護(hù)電路觸發(fā)延遲時(shí)間=20ms。這時(shí)，瞬態(tài)熱阻將為：

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

如果假設(shè)雪崩期間的功率損耗為 5kw，結(jié)區(qū)溫度將升高為：

t=5kw 0.00274℃/w=13.7℃

這個(gè)額外的結(jié)區(qū)溫度增加是由雪崩擊穿所造成。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先計(jì)算正常工作情況下的結(jié)區(qū)溫度，然后再加上上面算出的增量，以得出雪崩期間的瞬態(tài)結(jié)區(qū)溫度。這個(gè)溫度應(yīng)當(dāng)保持于最大允許結(jié)區(qū)溫度以下的水平，并且根據(jù)具體情況保留一定的安全余量。

結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常需要確定功率 mosfet 在其應(yīng)用中的適用性。這項(xiàng)工作可利用雪崩模式分析和/或結(jié)區(qū)溫度分析來進(jìn)行，而兩種方法都非常實(shí)用和可行。