淺析引起TVS器件熱擊穿的幾種模型

王曾 馬路遙 潘朋濤

摘要：隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，TVS器件已經在各個領域得到了非常廣泛的應用，因此對TVS器件的可靠性提出了更高要求。通過對TVS失效器件的分析有助于提升對這類器件的認識，同時也能更好的應用它。本文分析了TVS器件由于過電應力（EOS）引起的能量過高，大大高于器件的承受范圍，導致器件因過熱而失效，即熱擊穿引起的致命損傷。

關鍵詞：熱擊穿;過電應力;可靠性;

1.前言

TVS器件廣泛應用在電子線路，如果應用不恰當將會導致器件失效，從而失去保護意義。熱擊穿是TVS失效比較典型的失效模式，其引起這種失效的根本原因是由于EOS的作用。本文重點分析在TVS應用中引起熱擊穿的幾種模型。分析基于如圖1-1的使用場景，使用TVS型號為SMDJ160A。圖中TVS主要作為繼電器的續(xù)流管使用，工作電壓設定為直流110V，繼電器內阻設定為5KΩ或3.6KΩ。

2.失效機理分析

如圖1-1所示，TVS在電路中大概有以下3種因素會導致熱擊穿而失效：① 正向損耗;② 反向損耗;③ 開關損耗

2.1.正向損耗

在以上電路當中，存在兩種正向沖擊產生損耗的可能，分別為電源反接和正向續(xù)流。

① 如果110V直流電源接反時，TVS管正向導通，相當于電源直接對地短路，回路產生的短路電流將會使二極管燒壞失效，這種模式會在開機后馬上顯現(xiàn)。

② TVS器件作為繼電器的續(xù)流二極管使用，其主要目的是為了消除繼電器線包感性負載在關斷時產生的反向電動勢，在續(xù)流過程中續(xù)流二極管處于正向導通的泄放工作方式，可能遭受到的能量應該為感性負載工作時儲存的能量，其值為：，大小決定于感性負載的工作電流的平方和電感量。續(xù)流等效電路如圖1-2所示，通過已知條件和設定參數(shù)，可以對電路中感性負載釋放的能量進行計算：繼電器的線包阻抗以3.6KΩ計，流過繼電器的電流按最大電流計算為：

預設電感量為：100mH，則儲存和釋放能量為：

TVS設計的最大峰值功率PPPM=3KW（試驗波形10us/1000us標準波），TVS反向能吸收能量大于3J。一般來說，TVS的正向吸收能量的能力大于反向，即EPF>EPR>3J，也就是說3J以下的能量沖擊不會對TVS產品造成損傷和損壞。

此種情況下，在TVS上釋放的能量（48μJ）遠遠小于3J，不足以損傷、損壞TVS器件。

2.2.反向損耗

① 正常供電：輸入電壓為110V，按上偏差20%計算，輸入電壓最大值為132V， SMDJ160A的擊穿電壓VBR為178V～197V之間。132V

此功耗極小，不足以導致該產品失效甚至損傷，這種情況下TVS的功耗是很小的。

②異常輸入電壓存在尖峰、浪涌：如果由于尖峰、浪涌電壓導致SMDJ160A產品失效，必須同時具備兩個條件：

a：尖峰或浪涌電壓必須足夠高，大于產品的擊穿電壓，即>178V;

b：擊穿以后在TVS器件上施加的能量足夠大，至少單次大于3焦耳，或小于3焦耳的多次累積。

設定電路遭受600V/10μs（標準規(guī)定內阻r=50Ω）的尖峰電壓沖擊時，則：

TVS承受的最大能量為： SMDJ160A的VC為259V，則TVS承受的最大能量為：

這個能量小于TVS所能承受的最大能量，因此可能不會對TVS造成致命損傷。但是如果線路中出現(xiàn)連續(xù)的尖峰電壓沖擊時，需要計算累計能量與考慮芯片的熱延時不匹配，有可能會導致TVS的能力將會逐漸退化致失效。

2.3.開關損耗

TVS管在除上述兩類穩(wěn)態(tài)工作模式及靜態(tài)損耗外，還存在ON→OFF→ON的開關過程工作模式及渡越損耗，有時該模式及該損耗會起著主要的、主導的作用，特別是在快速開關的場合更是不可忽視。其等效示意圖如圖2所示，開關過程如下：

① 電路上電時：電流的流向如圖2-1所示，二極管的反向漏電流最大為5uA，此時二極管處于截止狀態(tài)，幾乎不產生損耗，不存在發(fā)熱燒毀的可能性;此時繼電器線包上電處于工作狀態(tài)并儲存能量;

② 電路斷電時：感性負載產生的反向電動勢通過續(xù)流二極管進行泄放，泄放電流流向如圖2-2，此時續(xù)流二極管處于正向導通續(xù)流工作狀態(tài);

③ 電路斷電后，續(xù)流二極管續(xù)流工作直到繼電器負載中儲存的能量消耗完畢后續(xù)流二極管恢復到截止狀態(tài)，整個續(xù)流工作時間決定于泄放時間為τ的長短，;

電路斷電再到上電過程中，若繼電器開關頻率不高，即泄放時間τ<，二極管續(xù)流過程已完成，二極管立即進入反偏截止狀態(tài)，此時漏電流最大為5uA，損耗可以忽略，不會燒毀續(xù)流二極管;但若繼電器的開關頻率過快，即泄放時間τ>時，由于續(xù)流二極管反向恢復時間trr的存在（理想二極管開關狀態(tài)與實際二極管開關狀態(tài)分別如圖3-1、圖3-2），續(xù)流二極管不能立即進入關閉狀態(tài)，此時續(xù)流二極管可能處于高壓、大電流的大損耗能量狀態(tài)，此時續(xù)流二極管反向恢復時間trr將決定續(xù)流二極管反向損耗能量的大小，trr越大則反向損耗越大，續(xù)流二極管越易損壞。

根據(jù)經驗：續(xù)流二極管的開關損耗導致的失效模式常常是導致續(xù)流二極管發(fā)生失效的真正原因，而且非常具有隱蔽性，這種故障本應該發(fā)生在高速開關繼電器的場合，所以低頻或者僅僅只有“開”和“關”的場合通常不會加以考慮。但實際情況是即使在僅有“開”、“關”繼電器的場合也會由于開關損耗過大而發(fā)生失效。

根本原因是因為通常大家都把“開”和“關”的兩個過程進行了理想化處理，實際上開關的“開”、“關”過程是存在顫動的，顫動的頻率、時間長短與諸多因素相關，比如開關質量的好壞、開關過程電流的大小、開關電壓的高低等等，一旦“開”和“關”過程發(fā)生顫動就等同于繼電器處于高頻“開”和“關”的兩個過程，不斷的接通和斷開使繼電器實際處于高速開關狀態(tài)，此時續(xù)流二極管的反向恢復時間的長短決定了其遭受能量沖擊大小的關鍵，當然也決定了續(xù)流二極管發(fā)熱量的大小，當發(fā)熱量大于散熱量時必將導致續(xù)流二極管結溫的升高，最終熱擊穿導致產品發(fā)生失效。這類失效也需要同時具備兩個條件：①開關過程發(fā)生高頻顫動;②續(xù)流二極管的反向恢復時間長，值得注意的是通常功率越大的器件反向恢復時間越長。

3.分析結論

通過以上分析：引起TVS器件發(fā)生熱擊穿失效的模式有①正向損耗異常增大大;②反向損耗異常增大;③ 高頻開關損耗。無論是哪種模式我們在設計線路時都應該引起重視考慮周詳。

4.參考文獻

[1] 楊尊松;王立新等. 瞬態(tài)電壓抑制二極管的概述和展望. 電子設計工程. 2016