一文詳細(xì)告訴你如何避免MOSFET常見問題和失效模式

今天給大家分享一個(gè)infineon的文檔《使用功率MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)，如何避免常見問題和故障模式》。

下面是正文

1、功率 MOSFET簡(jiǎn)介

功率 MOSFET 于 20 世紀(jì) 70 年代首次推出，并成為世界上應(yīng)用最廣泛的功率晶體管。與雙極功率晶體管等老技術(shù)相比，它們?cè)诰€性和開關(guān)應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括極大改進(jìn)的開關(guān)特性、易于并聯(lián)、沒有二次擊穿效應(yīng)以及更寬的安全工作區(qū) (SOA)。MOSFET 屬于電壓驅(qū)動(dòng)型跨導(dǎo)器件。

構(gòu)成 MOSFET 管芯的硅的不同摻雜方式將 MOSFET 分成兩個(gè)技術(shù)大類，，即平面型和溝槽型，如 圖 1 所示。

功率 MOSFET 管芯由許多并聯(lián)的獨(dú)立單元或平面帶組成，并通過網(wǎng)狀柵極連接在一起。

英飛凌 OptiMOS 器件基于溝槽技術(shù)，而 CoolMOS 器件基于超結(jié)技術(shù)，它是增強(qiáng)的平面技術(shù)，可降低導(dǎo)通電阻并取代舊的 HEXFET 器件。

本應(yīng)用說明中討論的主題適用于所有這些硅功率 MOSFET 技術(shù)，但可能不適用于其他功率器件和技術(shù)，例如 IGBT、碳化硅 (SiC) FET 或氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管（HEMT）。重點(diǎn)將放在 N 溝道增強(qiáng)型器件上，這類器件占所生產(chǎn)功率 MOSFET 的大部分。

雖然功率 MOSFET 最初看起來是簡(jiǎn)單的三端電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，但這種想法非常具有誤導(dǎo)性。實(shí)際上，這些器件很復(fù)雜，因此在開始任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目之前，一定要深入了解其基本特性。這將大大減少令人懊惱的故障和電路燒毀！當(dāng)涉及到功率 MOSFET，或任何其他功率半導(dǎo)體器件時(shí)，花時(shí)間了解以下章節(jié)中描述的各個(gè)方面，最終都有利于節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

2、功率 MOSFET握持和測(cè)試

用戶與 MOS 柵極晶體管的第一次接觸可能是放在他們辦公桌上的一包器件。即使在這個(gè)階段，了解一些基本的預(yù)防措施也很重要。功率 MOSFET 是具有極高柵極阻抗的 MOS 器件，在握持、測(cè)試或安裝到電路中時(shí)，會(huì)因靜電放電而損壞。MOSFET 的 ESD 損壞通常發(fā)生在柵源電壓高到足以在柵電介質(zhì)上產(chǎn)生電弧時(shí)。這會(huì)在柵極氧化物中燒出一個(gè)微小的孔，導(dǎo)致器件在操作過程中立即或隨后發(fā)生故障。

功率 MOSFET 器件具有足夠高的輸入電容來吸收一些靜電荷，而不會(huì)過度累積電壓。但是，為避免可能出現(xiàn)的問題，以下程序應(yīng)作為良好方法并盡可能加以遵循：

a、MOS 柵極晶體管應(yīng)放置在其防靜電運(yùn)輸袋或?qū)щ娕菽校蛘邞?yīng)放置在金屬容器或?qū)щ娤渲?，?/p>

到需要進(jìn)行測(cè)試或連接到電路中時(shí)才能取出。操作器件的人員應(yīng)佩戴良好接地的防靜電腕帶，盡管

這種額外的預(yù)防措施很少是必要的。

b、應(yīng)握持器件的封裝，而非引線。在曲線測(cè)量?jī)x或測(cè)試電路中測(cè)試 MOS 柵極晶體管的電氣特性時(shí)，應(yīng)注意以下注意事項(xiàng)：

1.測(cè)試站應(yīng)在測(cè)試臺(tái)上使用導(dǎo)電地板和接地防靜電墊。

2.將器件插入曲線測(cè)量?jī)x或測(cè)試電路時(shí)，在所有端子牢固連接到電路之前，不應(yīng)施加電壓。

3.使用曲線測(cè)量?jī)x時(shí)，應(yīng)在柵極串聯(lián)電阻，以抑制可能在導(dǎo)線上發(fā)生的寄生振蕩。合適的電阻值為 100 Ω。

c、下一步是將器件連接到實(shí)際電路中。應(yīng)遵守以下簡(jiǎn)單預(yù)防措施：

1.工作站應(yīng)使用電氣接地的桌面和地板墊。

2.烙鐵應(yīng)接地。

現(xiàn)在，器件已連接到電路中，可以通電了。從這里開始，能否成功應(yīng)用該器件取決于電路設(shè)計(jì)的完整性，以及是否采取了必要的電路設(shè)計(jì)預(yù)防措施以防止無意中濫用其額定值。

以下章節(jié)描述了相關(guān)的器件和電路考慮因素，這些因素是可靠、無缺陷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3、反向阻斷特性

所有功率 MOSFET 器件都有額定最大反向電壓，即 V(BR)DSS。如果漏源電壓超過此限制，則會(huì)在反向偏置的p-n 結(jié)上產(chǎn)生高電場(chǎng)。由于強(qiáng)電離的作用，這些高電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，它們會(huì)出現(xiàn)不受控制的倍增效應(yīng)，導(dǎo)致載流子濃度進(jìn)一步增加。這就是雪崩效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)器件的電流增加，從而導(dǎo)致高功耗、快速升溫和潛在的器件損壞。

在超過 MOSFET 的擊穿電壓時(shí)，通常會(huì)發(fā)生雪崩，這通常是由于非鉗位電感開關(guān)(UIS) 造成的，其中器件的使用超出了其數(shù)據(jù)表規(guī)范。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡一切合理努力避免 MOSFET 工作在雪崩狀態(tài)。實(shí)際上，在大電流應(yīng)用中，由于 MOSFET 封裝和 PCB 走線中的寄生電感或變壓器漏感（例如在反激式轉(zhuǎn)換器中），會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷瞬態(tài)高壓。通過漏極電壓的鉗位效應(yīng)可觀察雪崩。

MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 V(BR)DSS 額定值是考慮制程差異的最小值，這意味著盡管某些器件可能會(huì)在更高的電平上鉗位，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最壞情況。V(BR)DSS 隨溫度略有增加，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中圖表所示。

3.1、雪崩失效機(jī)制

3.1.1、閂鎖效應(yīng)

在這種情況下，雪崩事件會(huì)產(chǎn)生漏極電流，在電場(chǎng)強(qiáng)度更大的位置，漏極電流也會(huì)更大。閂鎖效應(yīng)是由寄生在功率MOSFET 中的 NPN 雙極結(jié)型晶體管 (BJT)產(chǎn)生。如果器件的結(jié)構(gòu)使得寄生 BJT 附近的電場(chǎng)很高，則大量電流將流過其基極電阻，從而在基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生電壓。如果此電壓達(dá)到某個(gè)閾值，雙極晶體管就會(huì)導(dǎo)通，大部分雪崩電流會(huì)流經(jīng)它，從而產(chǎn)生潛在的破壞性影響，因?yàn)闆]有辦法可以控制電流。

由于閂鎖效應(yīng)機(jī)制已廣為人知，英飛凌在所有 OptiMOS 技術(shù)的開發(fā)過程中一直在努力減輕其影響。因此，在許多 MOSFET 技術(shù)中，閂鎖效應(yīng)不會(huì)發(fā)生。但是，并非所有 MOSFET 技術(shù)都是如此，因此仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解特定器件使用的技術(shù)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)非常重要。

3.1.2、熱失效

當(dāng) MOSFET 的結(jié)溫達(dá)到 Tj,destr時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱損壞。Tj,destr接近硅材料的本征溫度，在這個(gè)溫度時(shí)熱載流子的密度等于本地?fù)诫s的濃度。因此，當(dāng)達(dá)到這樣的溫度時(shí)，MOSFET 將不再像半導(dǎo)體器件那樣工作。OptiMOS系列之間的 Tj,destr 差異不大，該值通常接近 400°C。鑒于在英飛凌 OptiMOS 系列的技術(shù)開發(fā)過程中采取了防止閂鎖效應(yīng)的預(yù)防措施，熱損壞是由雪崩引起的大多數(shù)失效的原因。即使是易發(fā)生閂鎖效應(yīng)的技術(shù)，熱失效也更有可能發(fā)生。

遺憾的是，應(yīng)對(duì)熱損壞需要在技術(shù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行一些權(quán)衡，因?yàn)樗鼤?huì)影響高性能技術(shù)的一些關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，特別是 FOM RDS(on) x A。事實(shí)上，雖然降低 RDS(on) x A 的技術(shù)可以在特定的 RDS(on) 值下采用更小尺寸的芯片，但更大的管芯面積可以減輕高能雪崩事件引起的升溫。

3.2、雪崩測(cè)試

MOSFET 雪崩耐受能力通過單脈沖 UIS 測(cè)試電路進(jìn)行測(cè)試，如下圖所示。

在這些電路中，特定時(shí)長(zhǎng)的脈沖施加到MOSFET 柵極以導(dǎo)通器件，漏極電流因串聯(lián)電感而線性上升。然后MOSFET 關(guān)斷，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù) di/dt，從而產(chǎn)生瞬變電壓。

在去耦電路中，兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，因此電感電壓等于施加在 MOSFET 漏極和源極之間的電壓。關(guān)斷瞬態(tài)上升至V(BR)DSS 以上，這樣在雪崩條件下，存儲(chǔ)在電感中的能量（由脈沖長(zhǎng)度和電感定義）可以傳輸?shù)組OSFET。英飛凌實(shí)施雪崩應(yīng)力測(cè)試以確保符合 EAS 等級(jí)、驗(yàn)證穩(wěn)固性并篩選有缺陷的器件。

3.3、單次和重復(fù)雪崩條件

MOSFET 在單個(gè)脈沖中所能承受的雪崩能量有一個(gè)定義的最大值，在特定的一組測(cè)試條件下、MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中將其指定為 EAS。顧名思義，單脈沖雪崩事件只允許發(fā)生一次，特別是在條件接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的限值時(shí)。這是因?yàn)檫@些限值對(duì)應(yīng)于高于 MOSFET Tj,max 的結(jié)溫，因此重復(fù)此類事件會(huì)損害 MOSFET 的使用壽命。請(qǐng)記住雪崩不是推薦的操作條件。

在重復(fù)雪崩的情況下，雪崩事件以快速重復(fù)頻率連續(xù)發(fā)生，這通常與開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用電路的開關(guān)頻率 (fSW) 相同。每個(gè)雪崩事件允許的安全雪崩能量遠(yuǎn)低于單脈沖雪崩。

在大多數(shù)重復(fù)雪崩情況下，由于每次雪崩事件的能量相對(duì)較低，與最壞情況下的單脈沖雪崩相比，硅材料溫升可以忽略不計(jì)。觀察到的 VDS 尖峰僅略微超過 MOSFET V(BR)DSS,(min,25) 額定值，而在高能單脈沖雪崩測(cè)試期間記錄的振幅為?1.2~1.3 x V(BR)DSS,(min,25)。單次雪崩額定值和重復(fù)雪崩額定值之間的相關(guān)差異與此類事件引起的允許 Tj,max 有關(guān)。事實(shí)上，雖然在單脈沖雪崩中允許結(jié)溫超過 Tj,max，但對(duì)于重復(fù)雪崩卻不是這樣。

在重復(fù)雪崩中超過 Tj,max 會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，這可能會(huì)降低器件在其使用壽命內(nèi)的可靠性，從而導(dǎo)致過早失效。對(duì)于采用 QFN 5x6 (SuperSO8) 或 S3O8 封裝的器件，Tj,max 可低至 150°C。這是封裝而非硅材料本身的限制，硅通?？梢猿惺?175°C。因此，在某些情況下，當(dāng)采用不同封裝（例如 TO-220 或 D2PAK）時(shí)，具有相同管芯的 MOSFET，其額定溫度為 175°C。

區(qū)分單脈沖和重復(fù)雪崩非常重要，因?yàn)樗鼈冇绊懻?MOSFET 特性的方式大不相同。單脈沖雪崩的兩種器件失效模式是由高電流（閂鎖效應(yīng)）或高能量（熱損壞）引起的。這些失效模式是災(zāi)難性的；然而，在重復(fù)雪崩情況下，損壞過程是漸進(jìn)的，通過重復(fù)的微損傷非常緩慢地影響器件。即使是低能量雪崩事件也會(huì)產(chǎn)生一些熱載流子，這些載流子電荷沿著功率 MOSFET 的溝槽氧化物注入。重復(fù)雪崩事件會(huì)引起電荷積累，這會(huì)慢慢損害器件可靠性。這可能導(dǎo)致一段時(shí)間后發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)失效。

值得一提的是，為了降低重復(fù)雪崩對(duì)技術(shù)參數(shù)的影響，英飛凌需要在絕大多數(shù)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的其他品質(zhì)因數(shù)上做出重大妥協(xié)。這對(duì)于正常使用MOSFET 時(shí)很少發(fā)生的事件而言，代價(jià)太高了，設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力避免發(fā)生這種事件。因此，英飛凌不會(huì)在 OptiMOS“工業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)”數(shù)據(jù)手冊(cè)中加入重復(fù)雪崩額定值。

3.4、如何避免雪崩事件

首先，有必要為應(yīng)用選擇具有正確V(BR)DSS 額定值的器件。這意味著在最壞的工作條件下，器件漏極和源極兩端的最大穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)考慮至少 20% 的安全裕度。在可能發(fā)生大的關(guān)斷瞬態(tài)情況下，將需要更高的安全裕度來實(shí)現(xiàn)可靠操作

例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中，采用?MOSFET V(BR)DSS 額定值為 DC 總線電壓兩倍的情況并不少見。然而，選擇比所需額定值更高的器件是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@會(huì)帶來更高的 RDS(on)，而且成本也可能更高。

用于減少關(guān)斷瞬態(tài)的方法包括通過調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來減緩 MOSFET 的關(guān)斷速度，以及在漏極和源極之間添加 RC 緩沖器。當(dāng)然，這兩種方法都會(huì)造成額外的開關(guān)損耗，從而降低系統(tǒng)效率。

4、MOSFET 額定電流和散熱

沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶可能會(huì)認(rèn)為 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)上的連續(xù)漏極額定電流ID(MAX) 代表器件在實(shí)際系統(tǒng)中的工作電流。但重要的是要認(rèn)識(shí)到事實(shí)并非如此！

此類?ID(MAX) 額定值基于實(shí)際設(shè)計(jì)中無法實(shí)現(xiàn)的理想測(cè)試條件。測(cè)試條件通常涉及非常大的散熱器或通過人工冷卻將管芯溫度保持在較低水平。

應(yīng)該注意的是，不同制造商使用不同的標(biāo)準(zhǔn)（有些標(biāo)準(zhǔn)比其他標(biāo)準(zhǔn)更保守）來確定其 MOSFET ID(MAX) 額定值，這些方法也在隨著時(shí)間的推移而發(fā)展。因此，通過這些額定值來比較不同器件的能力是錯(cuò)誤的！英飛凌現(xiàn)在使用的方法在 [5]中進(jìn)行了描述。

比較不同器件的更現(xiàn)實(shí)的方法是基于功率損耗，以及在給定的一組條件下功率損耗如何導(dǎo)致管芯和封裝溫度上升。

作為第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比較 25°C 時(shí)的 RDS(on) 很有用，因?yàn)檫@為比較提供了通用基礎(chǔ)。RDS(on)由串聯(lián)管芯和封裝電阻組成1，前者取決于柵源電壓 VGS。

RDS(on) 與結(jié)殼熱阻 RTH(JC) 結(jié)合使用，2 可以更好地顯示功率 MOSFET 的真實(shí)電流承載能力。以下焊接到PCB上的典型的 SMD 封裝 功率 MOSFET 的剖面圖提供了更清晰的圖像。管芯底部連接到金屬片，使漏極與電路板相連接。源極和柵極連接通過鍵合線連接到形成外部引線的引線框架。由于漏極電流流經(jīng)源極，因此使用了幾根鍵合線，有時(shí)還會(huì)用到幾根源極引線。在一些大電流器件中，會(huì)使用銅夾代替源極鍵合線以實(shí)現(xiàn)更低的電阻。

顯然，當(dāng)電流通過漏源路徑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，并產(chǎn)生熱量。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，每個(gè)開關(guān)周期都會(huì)消耗一定的能量，開關(guān)損耗與頻率有關(guān)?？倱p耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，通過封裝頂部和/或底部傳輸出去。散熱方式因封裝而異。大多數(shù)封裝都是底部或背部散熱，如上例所示，其中大部分熱量通過漏極散熱片傳遞到 PCB，這需要在漏極焊盤下方添加大量熱通孔以將熱量傳遞到電路板底部。然后可以在電路板下方安裝散熱器。也有頂部散熱封裝，如 TOLT 封裝，其封裝內(nèi)的管芯和引線框架的內(nèi)部布局不同；它們?cè)诜庋b頂部有一個(gè)裸露的金屬焊盤，可以用來安裝散熱器。

散熱器尺寸必須能夠從 MOSFET 管芯傳遞足夠的熱量，使其結(jié)溫保持在最大額定水平以下。設(shè)計(jì)人員必須首先選擇正確的 MOSFET 管芯尺寸和封裝以限制功率損耗，接著必須選擇合適的散熱器來保持安全結(jié)溫。

除了散熱器尺寸和表面積（由翅片的形狀和數(shù)量決定）外，還必須考慮結(jié)至環(huán)境熱阻。這取決于所使用的散熱器布局，可以通過將結(jié)與散熱器之間的所有串聯(lián)熱阻（包括 PCB、隔熱材料/TIM 等）以及散熱器本身的熱阻相加來計(jì)算熱阻（參見圖 9）。顯然，需要低結(jié)至環(huán)境熱阻來有效地傳遞 MOSFET 管芯的熱量，并使其能夠安全地傳導(dǎo)盡可能高的電流。

總之，從電流處理的角度來看整體情況比過分關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)的 ID(MAX) 額定值更有意義。

5、柵源電壓瞬變

過大的電壓瞬態(tài)會(huì)穿透薄柵源氧化層，造成永久性損壞。不幸的是，這種瞬態(tài)在電源開關(guān)電路中產(chǎn)生，并且可以耦合到敏感的 MOSFET 柵極輸入端。強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)人員仔細(xì)查看柵極驅(qū)動(dòng)波形，以確保不存在超出器件限制的正負(fù)瞬態(tài)（功率 MOSFET 通常為 +/-20 V，但應(yīng)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上確認(rèn)）。

在柵極驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通或關(guān)斷操作期間，當(dāng)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換至關(guān)斷狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高 dVDS/dt，反之亦然。考慮到柵極、源極和漏極引線中存在寄生電感，以及 MOSFET CGD（米勒電容），可以理解的是，這些寄生參數(shù)的組合會(huì)在柵極和源極之間產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。幸運(yùn)的是，柵極電容 CGS 可以減輕這種影響。

CGS/CGD 的比率必須盡可能高，以盡量減少漏源電壓耦合。優(yōu)化 PCB 布局以盡可能減少寄生電感也很重要。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)添加小柵源電容來幫助減少這些尖峰，盡管這也會(huì)減緩 MOSFET 的開關(guān)速度。

CGS 和 CGD 值取決于電壓，因此通常不會(huì)直接引用MOSFET 數(shù)據(jù)表中的值。更方便的是查看相關(guān)的電荷值QGD 和 QGS。電荷比通常表示為：QGD/QGS 或 QGD/QGS(TH)，較低的值意味著器件不太容易受到通過 CGD 耦合的感應(yīng)導(dǎo)通的影響。

6、安全工作區(qū)

現(xiàn)代功率 MOSFET 的發(fā)展聚焦在在具有超低 RDS(on) 的快速開關(guān)上，因此減小管芯面積已成為發(fā)展趨勢(shì)。因此，特定 RDS(on) 器件的功率承載能力普遍下降，特別是在線性工作模式下（在飽和區(qū)）。在設(shè)計(jì)功率MOSFET（或任何其他類型的功率晶體管）時(shí)，必須密切關(guān)注 SOA 圖，并確保該器件永遠(yuǎn)不會(huì)在所定義的極限線之外工作。如果超出了這些限制，可靠的設(shè)計(jì)是不可能實(shí)現(xiàn)的！

為了準(zhǔn)確地設(shè)定這些限制，英飛凌對(duì)許多樣品進(jìn)行了廣泛測(cè)試，其中包括對(duì)器件進(jìn)行破壞性測(cè)試。在某些應(yīng)用中，會(huì)在飽和區(qū)內(nèi)持續(xù)工作一段時(shí)間，例如浪涌電流限制或“熱插拔”。在這些情況下，必須特別注意所需脈沖持續(xù)時(shí)間的 SOA 限制，以確保絕不會(huì)超過這些限制。

在典型的開關(guān)應(yīng)用中，SOA 不容忽視，因?yàn)槠骷诿總€(gè)開關(guān)周期都會(huì)通過飽和區(qū)，除非是零電壓或零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換發(fā)生得很快，因此在規(guī)定的條件下， MOSFET 可以承受更高的電流脈沖。但是，建議檢查是否在 SOA 限制范圍內(nèi)工作。重要的是要記住，當(dāng)減慢 MOSFET 的導(dǎo)通或關(guān)斷速度（如 第 3.4 節(jié)所述）以減少 EMI 或關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)，飽和區(qū)的工作時(shí)間會(huì)增加。

英飛凌功率 MOSFET（本例中為 BSC010NE2LS ）的 SOA 圖如下所示。其他 MOSFET 的 SOA 曲線通常至少包括一些相同的限制線，但可能看起來有些不同。定義 SOA 圖的五個(gè)限制線是?RDS(on) 限制線（藍(lán)線）、電流限制線（紅線）、最大功率限制線（深綠色線）、熱不穩(wěn)定性限制線（淺綠線）和擊穿電壓限制線（黃線）。在這些限制線內(nèi)，綠色陰影區(qū)域給出了MOSFET 可以安全工作的區(qū)域。在本例中，限制線為恒定外殼溫度Tc = 25°C 和持續(xù)時(shí)間為 100 μs 的單個(gè)脈沖。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的完整 SOA 圖為各種脈沖寬度和連續(xù)(DC) 工作提供了其他的限制線。

6.1、RDS(on) 限制（藍(lán)色）

對(duì)于 VGS = 10 V 和 Tj = 150°C 的特定漏源電壓，RDS(on) 限制線由歐姆定律決定。?RDS(on) 的值具有正溫度系數(shù)，因此在較低溫度下可能有較高的漏極電流。

6.2、最大工作電流限制（紅色）

這代表了封裝的最大電流承載能力，超過該能力就會(huì)失效，盡管其中的 MOSFET 管芯可能完好無損。與采用夾式鍵合技術(shù)的封裝（如 SuperSO8）相比，采用鍵合線的封裝（如DPAK）具有不同的最大電流承載能力。管芯有效面積也會(huì)影響封裝的電流承載能力，因?yàn)檫@決定了鍵合方案（鍵合線數(shù)量、鍵合線直徑、夾子尺寸）。封裝限制線不會(huì)隨著溫度或其他條件而改變。

6.3、功率限制（深綠色）

這是根據(jù)器件允許消耗的最大功率計(jì)算得出的，該功率在熱平衡狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生 150°C 的穩(wěn)定結(jié)溫 Tj，其中Tc = 25°C?？紤]到封裝結(jié)到殼熱阻 ZthJC（以 °C/W 為單位定義），一定的功耗會(huì)產(chǎn)生125°C 的 ?T。這決定了功率限制線，其中 VDS 和 ID 的乘積保持不變以確定斜率。

對(duì)于短脈沖，ZthJC 的值取決于脈沖長(zhǎng)度及其占空比。ZthJC 可以從數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)圖表中獲取。SOA圖顯示增加的脈沖持續(xù)時(shí)間使最大熱限制線向下移動(dòng)，反映了若脈沖長(zhǎng)度更長(zhǎng)和/或占空比更大，熱阻也會(huì)更高。

在實(shí)際應(yīng)用中，Tj 不會(huì)保持在 25°C，因此不可能在 SOA 標(biāo)定的功率極限下運(yùn)行器件。根據(jù)封裝、散熱器以及是否使用強(qiáng)制風(fēng)冷，最大允許功耗將會(huì)是使穩(wěn)態(tài) Tj 達(dá)到 150°C 的功耗。與往常一樣，建議不要在其極限情況下運(yùn)行器件，因此在實(shí)踐中應(yīng)包括一些安全裕度。

6.4、熱穩(wěn)定性限制（淺綠色）

熱穩(wěn)定性限制線對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的功率MOSFET 工作也至關(guān)重要。在某些情況下，特別是對(duì)于早期的器件，盡管該器件可能會(huì)表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性限制，但數(shù)據(jù)表 SOA 圖表可能不包括此限制線。一般而言，熱不穩(wěn)定性是指相對(duì)于溫度，功率損耗比功率耗散上升得更快，從而無法實(shí)現(xiàn)熱平衡的情況。相反，熱失控的出現(xiàn)是由于器件的較熱晶胞中出現(xiàn)了電流擁擠（參見 第 1 節(jié)）。這被稱為 Spirito 效應(yīng)，當(dāng)晶胞變得更熱時(shí)，就會(huì)吸收更多電流，導(dǎo)致其溫度進(jìn)一步升高，直到最終損壞。在這種情況下，電流無法在晶胞間均勻分布。

在給定的 VGS 值下，漏極電流隨溫度增加，就會(huì)發(fā)生熱不穩(wěn)定。VGS 值低于零溫度系數(shù) (ZTC) 點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。在較高的 VGS 水平下，漏極電流隨溫度降低。如 圖 13 所示。

VGS 上溫度系數(shù)從正到負(fù)的變化是由兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的效應(yīng)引起的。由于電子遷移率較低，MOSFET 的電阻會(huì)隨溫度增加，而閾值電壓 (VTH) 會(huì)隨溫度上升而降低，因?yàn)楦嗟碾娮訒?huì)激發(fā)到導(dǎo)帶中。在低溫下，閾值電壓隨溫度升高而降低的影響占主導(dǎo)地位，電流隨溫度增加而增加，而在較高溫度下，RDS(on) 的增大占主導(dǎo)地位，ID 會(huì)隨溫度升高而降低。

如上所示，當(dāng) VGS 低于 ZTC 點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱不穩(wěn)定。因此，ZTC 處在高電流和高 VGS 電壓 的 MOSFET 將更容易出現(xiàn)熱不穩(wěn)定。ZTC 點(diǎn)與 MOSFET 跨導(dǎo)（gm 或 gfs）直接相關(guān)。隨著跨導(dǎo)增加，ZTC 點(diǎn)將向更高的 VGS 移動(dòng)?，F(xiàn)代功率 MOSFET 的跨導(dǎo)不斷增加，因此 ZTC 點(diǎn)也位于更高的 VGS。

為避免由于熱不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的失效，設(shè)計(jì)人員需要確保不會(huì)違反 SOA 熱穩(wěn)定性限制。

6.5、擊穿電壓（黃色）

這代表 第 3 節(jié)中描述的器件 V(BR)DSS 額定值。

7、感應(yīng)導(dǎo)通和擊穿

感應(yīng)導(dǎo)通是 MOSFET 用于快速開關(guān)應(yīng)用時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象，當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，漏極處會(huì)出現(xiàn)高dVDS/dt 轉(zhuǎn)換。這通常發(fā)生在硬開關(guān)1 應(yīng)用中，如開關(guān)電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，其中兩個(gè) MOSFET 用于半橋配置。

高側(cè)和低側(cè) MOSFET 交替導(dǎo)通和關(guān)斷，在一個(gè)器件的關(guān)斷和另一個(gè)器件的導(dǎo)通之間留有很短的死區(qū)時(shí)間，以防止交疊，從而避免產(chǎn)生非常高的電流脈沖。在低側(cè) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，高側(cè)導(dǎo)通。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，HB 節(jié)點(diǎn)會(huì)從零伏狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換到 VBUS。

圖 15 顯示了“C.dv/dt”如何使電流脈沖通過 CGD 耦合至柵極，柵極電壓通過 RG(EXT) 將其拉至零伏狀態(tài)。該電流脈沖可以在柵極處引起電壓尖峰。重要的是要記住，MOSFET 也可能具有很大的內(nèi)部柵極電阻RG(INT)，因此出現(xiàn)在晶圓上的感應(yīng)柵極尖峰可能比在柵極端子處觀察到的尖峰大。

如果感應(yīng)尖峰超過了 MOSFET VTH，則在高側(cè) MOSFET 完全關(guān)斷之前，器件將短暫部分導(dǎo)通。當(dāng)兩個(gè)器件都部分導(dǎo)通時(shí)，高電流會(huì)流過半橋，這可能會(huì)超出 SOA 限制并損壞一個(gè)或兩個(gè)器件。

7.1、如何避免感應(yīng)導(dǎo)通

如 第 5 節(jié)所述，MOSFET 具有較高 CGS/CGD，則意味著 QGD/QGS 和 QGD/QGS(TH)較低，更不易受到漏源電壓耦合的影響。對(duì)于硬開關(guān)應(yīng)用，建議使用 0.5 到 0.8 的 QGD/QGS 和小于 1.0 的 QGD/QGS(TH) 。應(yīng)該注意的是，較低的QGD/QGS 器件可能會(huì)在柵極出現(xiàn)較大的振鈴，但這取決于 RG(INT) 值和電路回路電感。

感應(yīng)導(dǎo)通可以通過減緩開關(guān)轉(zhuǎn)換速度來降低，從而降低 dv/dt。這可以通過增加 Rg_on 來減緩高側(cè)器件的導(dǎo)通速度來實(shí)現(xiàn)（參見圖 6）。根據(jù)電路開關(guān)特性，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可能相同，也可能不同。降低導(dǎo)通速度也會(huì)降低輻射 EMI，但也會(huì)增加開關(guān)損耗，因此需要謹(jǐn)慎考慮權(quán)衡取舍。

減少感應(yīng)導(dǎo)通的另一種方法是使用“關(guān)斷快于導(dǎo)通”類型的柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括二極管和電阻器，以支持柵極強(qiáng)下拉功能，同時(shí)支持較慢的導(dǎo)通。這種方法在關(guān)斷狀態(tài)下效果很好，但也會(huì)導(dǎo)致快速關(guān)斷，這往往會(huì)產(chǎn)生更高的漏極瞬態(tài)電壓，此電壓有引起雪崩的風(fēng)險(xiǎn)——這是在設(shè)計(jì)期間需要考慮的另一個(gè)平衡。值得一提的是，英飛凌現(xiàn)在提供的一些智能柵極驅(qū)動(dòng)器 IC1 包括一個(gè)可編程柵極驅(qū)動(dòng)，其中柵極電流可以在不同的工作階段進(jìn)行定義，從而消除了電阻二極管柵極驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)，并能夠精確定制柵極驅(qū)動(dòng)，以支持在開關(guān)期間和關(guān)斷狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化。

第三種方法是添加外部柵源電容器。這種方法可以通過增加有效的 CGS/CGD 來降低感應(yīng)柵極瞬態(tài)的幅度，但這會(huì)減緩開關(guān)速度，因此應(yīng)僅在必要時(shí)應(yīng)用并保持在最小值。

8、體二極管

體二極管是 MOSFET 結(jié)構(gòu)中的固有部分，由 p-body 層和 n-epi 層之間的 p-n 結(jié)形成，如 圖 4 所示。功率MOSFET 是三端器件，其本體和源極在內(nèi)部連接。這可以通過查看 n 溝道和 P 溝道器件的電路符號(hào)來理解。

與其他 p-n 結(jié)二極管一樣，MOSFET 體二極管具有少數(shù)載流子反向恢復(fù)，因此具有一定的反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)二極管在承載正向電流的同時(shí)反向偏置時(shí)，就會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)現(xiàn)象。反向恢復(fù)在數(shù)據(jù)表中的特征是時(shí)間trr 和在一組指定條件下測(cè)試的反向恢復(fù)電荷Qrr。

在區(qū)間（1），二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，并在區(qū)間（2）開始導(dǎo)通。在導(dǎo)通過程結(jié)束時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱谩７聪蚧謴?fù)電荷累積并存儲(chǔ)，而正向偏置二極管在區(qū)間 (3) 期間承載正電流。在關(guān)斷區(qū)間 (4) 開始時(shí)，電流減小到零，然后以相反方向流動(dòng)。在區(qū)間 (5) 期間完成反向恢復(fù)，在區(qū)間 (6) 完成關(guān)斷過程，此時(shí)二極管處于阻塞狀態(tài)。圖中的陰影區(qū)域表示Qrr，這是硬換向穩(wěn)固性的關(guān)鍵器件參數(shù)。

在上一節(jié)所述的半橋功率開關(guān)電路中，在將高開關(guān)電流進(jìn)入到感應(yīng)負(fù)載時(shí)，體二極管反向恢復(fù)就變得很重要。考慮一個(gè)在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作的同步降壓穩(wěn)壓器，Q1 導(dǎo)通，Q2 關(guān)斷，其中電流 IL 從半橋開關(guān)節(jié)點(diǎn)流出。

當(dāng) Q1 關(guān)斷時(shí)，電感電流通過 Q2 體二極管，然后 Q2 在死區(qū)時(shí)間結(jié)束后導(dǎo)通。在 Q2 導(dǎo)通（同步整流）周期結(jié)束時(shí)，它再次關(guān)斷，因此電流再次流過其體二極管。在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)，Q1 導(dǎo)通，此時(shí) Q2 體二極管恢復(fù)變得至關(guān)重要。如果 Q1 導(dǎo)通過快，則 Q2 的集成體二極管的峰值反向恢復(fù)電流就會(huì)上升過快，繼而超過峰值反向恢復(fù)電流額定值，器件可能會(huì)損壞！

不同的 MOSFET 技術(shù)具有不同程度的體二極管穩(wěn)固性和不同的反向恢復(fù)速度。對(duì)于會(huì)出現(xiàn)硬換向的應(yīng)用選擇適合的器件非常重要，即使這只是在某些操作條件下發(fā)生。英飛凌高壓 CoolMOS 系列超結(jié) MOSFET 包括具有快速恢復(fù)體二極管的 CFD 系列器件。此外，還有多個(gè)系列的低壓和中壓 OptiMOS 溝槽器件。一般規(guī)則是，根據(jù)發(fā)生的開關(guān)類型為特定設(shè)計(jì)選擇正確類型的功率 MOSFET 很重要。

通過減緩換向過程中電流的變化率，可以降低體二極管的峰值反向恢復(fù)電流。通過減緩柵極驅(qū)動(dòng)的上升速度，可以控制電流的變化率，如圖 6 所示，并在第 3.4 節(jié)和第 7.1 節(jié)中進(jìn)行了討論。使用這種技術(shù)，峰值反向恢復(fù)電流可以降低到一個(gè)可接受的水平，而代價(jià)是要延長(zhǎng)高功耗開關(guān)周期，因此始終需要權(quán)衡取舍。對(duì)于在高達(dá) 20 kHz 左右頻率下操作而言，可以減緩施加的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以降低“配對(duì)”器件體二極管的峰值反向恢復(fù)電流，這是一個(gè)很好的實(shí)用解決方案。在較高頻率下，設(shè)計(jì)人員必須特別注意 MOSFET 開關(guān)所需的電壓和電流，并選擇合適的器件和柵極驅(qū)動(dòng)方案。

9、封裝和電路板布局注意事項(xiàng)

不同的功率 MOSFET 封裝，其寄生電感不同，引線封裝電感比 SMD 封裝更高，而且 SMD 封裝中存在的電感量取決于漏極和源極連接的內(nèi)部幾何形狀。因此，有必要考慮任何設(shè)計(jì)所需的封裝類型，不僅要考慮其熱特性，還要考慮封裝電感，而數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能沒有明確說明。簡(jiǎn)而言之，在硬換向中開關(guān)電流高時(shí)，SMD 封裝的電感要盡可能低，還需要良好的PCB 布局，以實(shí)現(xiàn)可接受的性能，并避免可靠性和潛在的 EMI問題。在為電源應(yīng)用設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，建議使用制造商推薦的器件封裝，并確保遵循處理和焊接指南。

電源開關(guān)電路中的雜散電感增加了過壓瞬態(tài)的振幅和能量，因此有必要降低開關(guān)速度以避免雪崩事件。電壓瞬態(tài)是由電流的快速變化產(chǎn)生的：

其中 LS 由電流回路確定，電流回路從最近的總線去耦電容開始，通過開關(guān)元件，然后返回電容。

在物理電路板布局中，電流回路的電感取決于形成回路的走線距離，以及 DC 總線去耦電容與MOSFET 的距離。較長(zhǎng)的走線和較大的回路面積也會(huì)產(chǎn)生輻射 EMI。通過將 MOSFET 彼此靠近放置并盡可能靠近 DC 總線去耦電容，可以最大限度地減少回路。這可以通過在 PCB 中使用兩層或多層線路，并將返回電流路徑直接置于電流路徑下方來實(shí)現(xiàn)，從去耦電容開始，并通過 MOSFET 以提供緊密耦合。返回路徑通常采用電源地平面的形式。通常在多層 PCB 中保留一個(gè)或多個(gè)銅層來實(shí)現(xiàn)。這里應(yīng)該提到的是，信號(hào)/數(shù)字地和電源地應(yīng)該分開，以避免“地彈”，它會(huì)影響敏感的控制電路。電源和信號(hào)地最好單點(diǎn)連接，最好是去耦電容接地連接。

下面展示了一個(gè)簡(jiǎn)化布局的剖面圖，該布局利用頂部和底部銅層創(chuàng)建了一個(gè)緊密的電流回路，用紅色虛線表示。這兩層通過多個(gè)過孔連接，也用于將熱量傳遞到電路板底部。

10、功率 MOSFET并聯(lián)

對(duì)于大電流的電源系統(tǒng)而言，了解和控制并聯(lián) MOSFET 之間的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)電流平衡非常重要。當(dāng)器件在歐姆區(qū)工作時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流平衡（參見圖 11），因?yàn)?RDS(on) 具有正溫度系數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)電流平衡，因?yàn)槿绻粋€(gè)器件由于其 RDS(on) 低于其并聯(lián)器件而會(huì)傳導(dǎo)更多電流，則其管芯溫度就會(huì)升高，從而提高其RDS(on) 并因此實(shí)現(xiàn)電流平衡。為實(shí)現(xiàn)有效地工作，器件應(yīng)靠近放置，并用相同長(zhǎng)度和寬度的走線連接到它們的漏極和源極。

然而，在開關(guān)條件下，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)會(huì)更加困難，隨著頻率的增加，更是如此。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)效應(yīng)在每次導(dǎo)通和關(guān)斷工作期間都會(huì)發(fā)揮作用，這可能會(huì)使一個(gè)器件比其他器件承受更大的壓力。以下器件參數(shù)的錯(cuò)誤匹配會(huì)影響開關(guān)期間的電流分配和功耗：柵極閾值 (VTH)、跨導(dǎo) (gfs) 柵源電容 (CGS)、米勒電容 (CGD) 和體二極管恢復(fù) (Qrr)，以及 RDS(on)。如果部件匹配不當(dāng)，一個(gè)器件可能會(huì)在開關(guān)期間承載大部分電流，這可能會(huì)超出SOA 限制。應(yīng)特別注意功率和熱穩(wěn)定性限制。除此之外，前面描述的熱平衡機(jī)制需要一些時(shí)間才能達(dá)到平衡，而當(dāng)快速開關(guān)時(shí)，這不可能實(shí)現(xiàn)。在并聯(lián)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中上述參數(shù)的公差，因?yàn)楦鼑?yán)格的公差控制可以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)平衡。

在 PCB 布局中，柵極回路和電流回路電感需要盡可能保持一致。電路布局應(yīng)盡可能保持對(duì)稱，以保持并聯(lián)MOSFET 中的電流均衡。并聯(lián)器件的柵極可以通過放置在柵極連接上的小鐵氧體磁珠去耦，或者通過與每個(gè)柵極串聯(lián)的單個(gè)電阻去耦，以防止寄生振蕩。

柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。由于當(dāng)?shù)谝粋€(gè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，并聯(lián) MOSFET 不太可能同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，因此在源極節(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)快速電壓擺動(dòng)。這可以通過較慢并聯(lián)器件的 CGD 耦合，并在共享柵極連接處產(chǎn)生電壓尖峰。這會(huì)在 MOSFET 快速導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生振蕩，可能會(huì)損壞MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器。為防止出現(xiàn)這種情況，每個(gè)并聯(lián) MOSFET 都應(yīng)有自己的柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，放置在柵極和柵極驅(qū)動(dòng)器的共享連接點(diǎn)之間。

　　審核編輯：湯梓紅