功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析

劉　松，楊　營(yíng)

(萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件有限公司,上海 200070)

功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析

劉松，楊營(yíng)

(萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件有限公司,上海 200070)

首先闡述了傳統(tǒng)測(cè)試條件下功率MOSFET管的數(shù)據(jù)表中雪崩能量值的缺陷，然后討論了針對(duì)實(shí)際應(yīng)用對(duì)應(yīng)著不同的測(cè)試電感值時(shí)，功率MOSFET雪崩能量的變化及特性，給出了相應(yīng)的測(cè)試波形。同時(shí)，通過(guò)不同條件下功率MOSFET管雪崩失效的顯微圖片，詳細(xì)地分析了相應(yīng)的雪崩特性和產(chǎn)生的原因。在小電感條件下，大電流快速關(guān)斷是功率MOSFET管雪崩最為惡劣的情況。

雪崩；非箝位感性負(fù)載開關(guān)；失效分析；過(guò)壓

0　引言

功率 MOSFET管在一些極端的邊界條件下的實(shí)際應(yīng)用中，如系統(tǒng)的輸出短路及過(guò)載測(cè)試，輸入過(guò)電壓測(cè)試以及動(dòng)態(tài)的老化測(cè)試中，有時(shí)會(huì)發(fā)生過(guò)壓的損壞。過(guò)壓損壞通常直接理解為雪崩失效損壞，因?yàn)檠┍赖倪^(guò)程伴隨著過(guò)壓的現(xiàn)象。因此，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中，定義了在非箝位感性負(fù)載開關(guān)條件下，雪崩電流和雪崩能量的額定值，有些公司還給出了大單脈沖和多脈沖條件下，參考雪崩電流和雪崩能量的額定值考查功率MOSFET抗過(guò)壓雪崩的能力。

數(shù)據(jù)表中雪崩電流和雪崩能量的額定值對(duì)應(yīng)著一定的測(cè)試條件，特別是不同的公司有時(shí)候使用不同的測(cè)量電感值，導(dǎo)致工程師無(wú)法在相同的條件下進(jìn)行比較；即便是使用相同的測(cè)量電感值，系統(tǒng)的工作條件和數(shù)據(jù)表中給定的測(cè)試并不相同。功率MOSFET管數(shù)據(jù)表中，所使用的電感比實(shí)際應(yīng)用的電感值要大很多，如對(duì)于低壓功率 MOSFET，額定電壓低于 30 V，行業(yè)內(nèi)采用的測(cè)試雪崩能量的電感值為0.1 mH。過(guò)去，只有在低工作頻率和大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，才會(huì)發(fā)生非箝位感性負(fù)載開關(guān)的雪崩現(xiàn)象，而在這種使用中，電機(jī)的電感比較大，行業(yè)內(nèi)就采用大電感來(lái)評(píng)估功率MOSFET管的雪崩能力。因此，數(shù)據(jù)表中雪崩能量只具有參考的價(jià)值，本文將詳細(xì)地討論這些問(wèn)題，從而更加明確地理解功率MOSFET的雪崩能量。

1　數(shù)據(jù)表中雪崩能量值

雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中標(biāo)示為 IAV，雪崩能量代表功率MOSFET管抗過(guò)電壓沖擊的能力。在測(cè)試雪崩能量過(guò)程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率 MOSFET開通的時(shí)間增加，電流也就越大，然后關(guān)斷，重復(fù)這個(gè)開通和關(guān)斷的過(guò)程，直到功率MOSFET損壞，對(duì)應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。注意到在測(cè)量雪崩能量時(shí)，功率 MOSFET工作在非箝位感性負(fù)載開關(guān)UIS狀態(tài)下，具體的測(cè)試電路及其工作原理可以參考文獻(xiàn)［1-7］。

在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱的IAV通常要將前面的測(cè)試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù)。功率MOSFET供應(yīng)商會(huì)對(duì)這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線上做100%全部檢測(cè)，因?yàn)樵趯?shí)際的測(cè)試中，雪崩的電流有降額，因此不會(huì)損壞功率MOSFET管。

采用的電感值不同，雪崩的電流值也不同，因此雪崩能量也不同。對(duì)于不同的工藝和平臺(tái)，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在大電感的時(shí)候，其中一個(gè)功率 MOSFET管的雪崩能量比另一個(gè)大，但是，在小電感的時(shí)候，前者的雪崩能量反而小于后者。不同的電子系統(tǒng)中，負(fù)載的電感值并不相同，因此，對(duì)于一個(gè)功率MOSFET管，需要研究在不同的電感條件下雪崩的能力。

2　使用不同電感測(cè)量雪崩能量

本文研究的功率MOSFET管為AON6232A，額定電壓40 V，導(dǎo)通電阻2.9 mΩ，封裝DNF5*6。使用的電感值分別為：500 nH、10μH、100μH。在許多開關(guān)電源系統(tǒng)中，最惡劣的條件是電感或變壓器發(fā)生飽和，這樣儲(chǔ)能的電感主要為線路的寄生電感，功率回路寄生電感通常為200～500 nH，本文使用500 nH的電感值。將損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼，就可以得到露出的硅片正面失效損壞的形態(tài)。測(cè)量的結(jié)果、波形及失效損壞的圖片分別如圖1和圖2所示。

圖1　不同電感值的雪崩電流和能量

圖2　不同電感值的波形和失效圖

3　不同電感值損壞的模式分析

從圖1可以看到，隨著電感值的降低，雪崩電流及雪崩能量也隨著降低，但它們之間并不是線性降低，特別是雪崩能量，降低的幅度更大。主要的原因在于，當(dāng)電感值降低時(shí)，功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的電流急劇增加，在同樣的測(cè)試電壓時(shí)，小的電感導(dǎo)致電感電流也就是流過(guò)功率 MOSFET管的電流的 di/dt也急劇增加。功率 MOSFET管損壞的直接原因是因?yàn)榧訜岷螽a(chǎn)生的熱量不能及時(shí)地耗散出去，導(dǎo)致局部的單元過(guò)熱而損壞。

小的電感產(chǎn)生 di/dt大，同樣的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量大，由于內(nèi)部熱容的延遲效應(yīng)，熱量并不能及時(shí)耗散出去，因此，相比大電感的測(cè)試條件，功率MOSFET管在小電感的雪崩電流及雪崩能量明顯降低。

從VDS波形來(lái)看，可以看到明顯的電壓箝位，也就是電壓平臺(tái)，這也是真正的雪崩電壓值。功率 MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的位置在關(guān)斷過(guò)程中，VDS的電壓發(fā)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置?？梢钥吹?，電感越小，損壞發(fā)生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電壓越高，這也表明，在小電感時(shí)，功率MOSFET管發(fā)生雪崩損壞的速度更快。

功率MOSFET管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖3所示，其內(nèi)部有一個(gè)寄生三極管，在關(guān)斷過(guò)程中，如果大的電流流過(guò)寄生三極管的Rb，那么寄生三極管導(dǎo)通，電流將集中寄生三極管導(dǎo)通的局部區(qū)域，而三極管是負(fù)溫度系數(shù)：溫度越高，流過(guò)局部區(qū)域的電流越大，溫度進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致功率 MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點(diǎn)而損壞。

在關(guān)斷的過(guò)程中，流過(guò)Rb的電流由3部分電流組成：(1)從溝道中偏移到體內(nèi)的電流；(2)寄生二極管的反向電流；(3)由 dv/dt和 Cds產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電流。因此，大電流快速關(guān)斷時(shí)，流過(guò)Rb的電流最大，寄生三極管最容易發(fā)生導(dǎo)通，從而損壞功率MOSFET管。在一些極端的條件下，由于內(nèi)部寄生三極管更早地導(dǎo)通，甚至在電壓的波形上，看不到箝位的電壓平臺(tái)，就直接損壞。

從失效的圖片來(lái)看，電感越小，產(chǎn)生損壞的區(qū)域也越大，主要的原因是電感小時(shí)，雪崩的電流大，大電流的沖擊形成更大的損壞區(qū)域。電感小時(shí)，雪崩的電流小，硅片的溫度相對(duì)上升得慢，內(nèi)部更容易平衡，失效的形態(tài)是在硅片中間的某一個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)較小的擊穿小孔洞，通常稱為熱點(diǎn)，其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^(guò)壓而產(chǎn)生雪崩擊穿。硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置，也是最容易產(chǎn)生熱點(diǎn)的地方。

小電感發(fā)生雪崩時(shí)，產(chǎn)生的電流更大，損壞的區(qū)域更靠近功率MOSFET的S極，這是因?yàn)樵诖箅娏鲿r(shí)，全部流過(guò)功率 MOSFET，所有的電流全部要匯集中 S極，這樣，S極附近區(qū)域更易產(chǎn)生電流集中，因此溫度最高，也最容易產(chǎn)生損壞。

圖3　功率MOSFET結(jié)構(gòu)及等效電路

4　結(jié)論

(1)功率MOSFET的雪崩能量受電感值的影響，電感越小，雪崩電流越大，而雪崩的能量越低，而且，雪崩電流及雪崩能量和測(cè)試電感并沒(méi)有線性的關(guān)系。

(2)小電感雪崩時(shí)，更大的電流和更快的電流上升率，由此產(chǎn)生更快的溫度上升率，能量不能及時(shí)耗散出去，是導(dǎo)致小電感雪崩能量急劇降低的原因。

(3)大電感雪崩產(chǎn)生損壞的區(qū)域小，小電感雪崩由于大電流沖擊產(chǎn)生損壞的區(qū)域大，而且損壞距離更靠近S極。小電感條件下，大電流快速關(guān)斷更容易導(dǎo)致內(nèi)部寄生三極管導(dǎo)通，損壞器件。

［1］劉松.理解功率 MOSFET的 UIS［J］.今日電子，2010(4)：52-54.

［2］劉松，葛小榮.理解功率MOSFET的電流［J］.今日電子，2011：35-37.

［3］劉松，陳均，林濤.功率 MOS管 Rds(on)負(fù)溫度系數(shù)對(duì)負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)影響［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，12(36)：72-74.

［4］劉松，張龍，王飛,開關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(3)：64-66.

［5］劉松.理解功率MOSFET的Rds(on)溫度系數(shù)特性［J］.今日電子，2009(11)：25-26.

［6］劉松，葛小榮.應(yīng)用于線性調(diào)節(jié)器的中壓功率MOSFET的選擇［J］.今日電子，2012(2)：36-38.

［7］劉松.基于漏極導(dǎo)通區(qū)特性理解MOSFET開關(guān)過(guò)程［J］.今日電子，2008(11)：74-75.

［8］劉松.理解功率MOSFET的開關(guān)損耗［J］.今日電子，2009 (10)：52-55.

Power MOSFET avalanche energy and avalanche failure analysis

Liu Song，Yang Ying
(Alpha&Omega Semiconductor，Ltd.，Shanghai 200070，China)

The reason that the avalanche energy value in the power MOSFET datasheet is not effective is given in this pare at first.The variation of the avalanche energy value with different used inductance and waveforms are presented.The characteristic of the avalanche energy of power MOSFET and the cause at the different inductance are also discussed based on their de-capped failure analysis.The worst condition of power MOSFET avalanche that the power MOSFET is turned off very fast with very huge current and at very small inductance is given in the end.

avalanche；unclamped inductance switching；failure analysis；over voltage

TN34

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.036

2015-11-12)（

2015-11-08）

劉松(1971-)，男，碩士，主要研究方向：開關(guān)電源系統(tǒng)及模擬電路的應(yīng)用研究與開發(fā)。

中文引用格式：劉松，楊營(yíng).功率 MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：132-134.

英文引用格式：Liu Song，Yang Ying.Power MOSFET avalanche energy and avalanche failure analysis［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：132-134.