0 引言

    功率MOSFET管在一些极端的边界条件下的实际应用中，如系统的输出短路及过载测试，输入过电压测试以及动态的老化测试中，有时会发生过压的损坏。过压损坏通常直接理解为雪崩失效损坏，因为雪崩的过程伴随着过压的现象。因此，在功率MOSFET的数据表中，定义了在非箝位感性负载开关条件下，雪崩电流和雪崩能量的额定值，有些公司还给出了大单脉冲和多脉冲条件下，参考雪崩电流和雪崩能量的额定值考查功率MOSFET抗过压雪崩的能力。

    数据表中雪崩电流和雪崩能量的额定值对应着一定的测试条件，特别是不同的公司有时候使用不同的测量电感值，导致工程师无法在相同的条件下进行比较；即便是使用相同的测量电感值，系统的工作条件和数据表中给定的测试并不相同。功率MOSFET管数据表中，所使用的电感比实际应用的电感值要大很多，如对于低压功率MOSFET，额定电压低于30 V，行业内采用的测试雪崩能量的电感值为0.1 mH。过去，只有在低工作频率和大电流的电机驱动中，才会发生非箝位感性负载开关的雪崩现象，而在这种使用中，电机的电感比较大，行业内就采用大电感来评估功率MOSFET管的雪崩能力。因此，数据表中雪崩能量只具有参考的价值，本文将详细地讨论这些问题，从而更加明确地理解功率MOSFET的雪崩能量。

1 数据表中雪崩能量值

    雪崩电流在功率MOSFET的数据表中标示为I_AV，雪崩能量代表功率MOSFET管抗过电压冲击的能力。在测试雪崩能量过程中，选取一定的电感值，然后将电流增大，也就是功率MOSFET开通的时间增加，电流也就越大，然后关断，重复这个开通和关断的过程，直到功率MOSFET损坏，对应的最大电流值就是最大的雪崩电流。注意到在测量雪崩能量时，功率MOSFET工作在非箝位感性负载开关UIS状态下，具体的测试电路及其工作原理可以参考文献[1-7]。

    在数据表中，标称的I_AV通常要将前面的测试值做70%或80%降额处理，因此它是一个可以保证的参数。功率MOSFET供应商会对这个参数在生产线上做100%全部检测，因为在实际的测试中，雪崩的电流有降额，因此不会损坏功率MOSFET管。

    采用的电感值不同，雪崩的电流值也不同，因此雪崩能量也不同。对于不同的工艺和平台，经常出现这样的现象：在大电感的时候，其中一个功率MOSFET管的雪崩能量比另一个大，但是，在小电感的时候，前者的雪崩能量反而小于后者。不同的电子系统中，负载的电感值并不相同，因此，对于一个功率MOSFET管，需要研究在不同的电感条件下雪崩的能力。

2 使用不同电感测量雪崩能量

    本文研究的功率MOSFET管为AON6232A，额定电压40 V，导通电阻2.9 mΩ，封装DNF5*6。使用的电感值分别为：500 nH、10 μH、100 μH。在许多开关电源系统中，最恶劣的条件是电感或变压器发生饱和，这样储能的电感主要为线路的寄生电感，功率回路寄生电感通常为200～500 nH，本文使用500 nH的电感值。将损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳，就可以得到露出的硅片正面失效损坏的形态。测量的结果、波形及失效损坏的图片分别如图1和图2所示。

3 不同电感值损坏的模式分析

    从图1可以看到，随着电感值的降低，雪崩电流及雪崩能量也随着降低，但它们之间并不是线性降低，特别是雪崩能量，降低的幅度更大。主要的原因在于，当电感值降低时，功率MOSFET管发生雪崩损坏的电流急剧增加，在同样的测试电压时，小的电感导致电感电流也就是流过功率MOSFET管的电流的di/dt也急剧增加。功率MOSFET管损坏的直接原因是因为加热后产生的热量不能及时地耗散出去，导致局部的单元过热而损坏。

    小的电感产生di/dt大，同样的时间内产生的能量大，由于内部热容的延迟效应，热量并不能及时耗散出去，因此，相比大电感的测试条件，功率MOSFET管在小电感的雪崩电流及雪崩能量明显降低。

    从V_DS波形来看，可以看到明显的电压箝位，也就是电压平台，这也是真正的雪崩电压值。功率MOSFET管发生雪崩损坏的位置在关断过程中，V_DS的电压发生转折点的位置。可以看到，电感越小，损坏发生的转折点的电压越高，这也表明，在小电感时，功率MOSFET管发生雪崩损坏的速度更快。

    功率MOSFET管的内部结构和等效电路如图3所示，其内部有一个寄生三极管，在关断过程中，如果大的电流流过寄生三极管的Rb，那么寄生三极管导通，电流将集中寄生三极管导通的局部区域，而三极管是负温度系数：温度越高，流过局部区域的电流越大，温度进一步增大，从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。

    在关断的过程中，流过R_b的电流由3部分电流组成：(1)从沟道中偏移到体内的电流；(2)寄生二极管的反向电流；(3)由dv/dt和C_ds产生的动态电流。因此，大电流快速关断时，流过R_b的电流最大，寄生三极管最容易发生导通，从而损坏功率MOSFET管。在一些极端的条件下，由于内部寄生三极管更早地导通，甚至在电压的波形上，看不到箝位的电压平台，就直接损坏。

    从失效的图片来看，电感越小，产生损坏的区域也越大，主要的原因是电感小时，雪崩的电流大，大电流的冲击形成更大的损坏区域。电感小时，雪崩的电流小，硅片的温度相对上升得慢，内部更容易平衡，失效的形态是在硅片中间的某一个位置产生一个较小的击穿小孔洞，通常称为热点，其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿。硅片中间区域是散热条件最差的位置，也是最容易产生热点的地方。

    小电感发生雪崩时，产生的电流更大，损坏的区域更靠近功率MOSFET的S极，这是因为在大电流时，全部流过功率MOSFET，所有的电流全部要汇集中S极，这样，S极附近区域更易产生电流集中，因此温度最高，也最容易产生损坏。

4 结论

    (1)功率MOSFET的雪崩能量受电感值的影响，电感越小，雪崩电流越大，而雪崩的能量越低，而且，雪崩电流及雪崩能量和测试电感并没有线性的关系。

    (2)小电感雪崩时，更大的电流和更快的电流上升率，由此产生更快的温度上升率，能量不能及时耗散出去，是导致小电感雪崩能量急剧降低的原因。

    (3)大电感雪崩产生损坏的区域小，小电感雪崩由于大电流冲击产生损坏的区域大，而且损坏距离更靠近S极。小电感条件下，大电流快速关断更容易导致内部寄生三极管导通，损坏器件。

参考文献

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