文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.036
中文引用格式： 劉松，楊營. 功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析[J].電子技術應用，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.
0 引言
功率MOSFET管在一些極端的邊界條件下的實際應用中，如系統的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態的老化測試中，有時會發生過壓的損壞。過壓損壞通常直接理解為雪崩失效損壞，因為雪崩的過程伴隨著過壓的現象。因此，在功率MOSFET的數據表中，定義了在非箝位感性負載開關條件下，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抗過壓雪崩的能力。
數據表中雪崩電流和雪崩能量的額定值對應著一定的測試條件，特別是不同的公司有時候使用不同的測量電感值，導致工程師無法在相同的條件下進行比較；即便是使用相同的測量電感值，系統的工作條件和數據表中給定的測試并不相同。功率MOSFET管數據表中，所使用的電感比實際應用的電感值要大很多，如對于低壓功率MOSFET，額定電壓低于30 V，行業內采用的測試雪崩能量的電感值為0.1 mH。過去，只有在低工作頻率和大電流的電機驅動中，才會發生非箝位感性負載開關的雪崩現象，而在這種使用中，電機的電感比較大，行業內就采用大電感來評估功率MOSFET管的雪崩能力。因此，數據表中雪崩能量只具有參考的價值，本文將詳細地討論這些問題，從而更加明確地理解功率MOSFET的雪崩能量。
1 數據表中雪崩能量值
雪崩電流在功率MOSFET的數據表中標示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET管抗過電壓沖擊的能力。在測試雪崩能量過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開通的時間增加，電流也就越大，然后關斷，重復這個開通和關斷的過程，直到功率MOSFET損壞，對應的最大電流值就是最大的雪崩電流。注意到在測量雪崩能量時，功率MOSFET工作在非箝位感性負載開關UIS狀態下，具體的測試電路及其工作原理可以參考文獻[1-7]。
在數據表中，標稱的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個可以保證的參數。功率MOSFET供應商會對這個參數在生產線上做100%全部檢測，因為在實際的測試中，雪崩的電流有降額，因此不會損壞功率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。對于不同的工藝和平臺，經常出現這樣的現象：在大電感的時候，其中一個功率MOSFET管的雪崩能量比另一個大，但是，在小電感的時候，前者的雪崩能量反而小于后者。不同的電子系統中，負載的電感值并不相同，因此，對于一個功率MOSFET管，需要研究在不同的電感條件下雪崩的能力。
2 使用不同電感測量雪崩能量
本文研究的功率MOSFET管為AON6232A，額定電壓40 V，導通電阻2.9 mΩ，封裝DNF5*6。使用的電感值分別為：500 nH、10 μH、100 μH。在許多開關電源系統中，最惡劣的條件是電感或變壓器發生飽和，這樣儲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。測量的結果、波形及失效損壞的圖片分別如圖1和圖2所示。
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，當電感值降低時，功率MOSFET管發生雪崩損壞的電流急劇增加，在同樣的測試電壓時，小的電感導致電感電流也就是流過功率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為加熱后產生的熱量不能及時地耗散出去，導致局部的單元過熱而損壞。
小的電感產生di/dt大，同樣的時間內產生的能量大，由于內部熱容的延遲效應，熱量并不能及時耗散出去，因此，相比大電感的測試條件，功率MOSFET管在小電感的雪崩電流及雪崩能量明顯降低。
從VDS波形來看，可以看到明顯的電壓箝位，也就是電壓平臺，這也是真正的雪崩電壓值。功率MOSFET管發生雪崩損壞的位置在關斷過程中，VDS的電壓發生轉折點的位置?？梢钥吹?，電感越小，損壞發生的轉折點的電壓越高，這也表明，在小電感時，功率MOSFET管發生雪崩損壞的速度更快。
功率MOSFET管的內部結構和等效電路如圖3所示，其內部有一個寄生三極管，在關斷過程中，如果大的電流流過寄生三極管的Rb，那么寄生三極管導通，電流將集中寄生三極管導通的局部區域，而三極管是負溫度系數：溫度越高，流過局部區域的電流越大，溫度進一步增大，從而導致功率MOSFET內部形成局部的熱點而損壞。
在關斷的過程中，流過Rb的電流由3部分電流組成：(1)從溝道中偏移到體內的電流；(2)寄生二極管的反向電流；(3)由dv/dt和Cds產生的動態電流。因此，大電流快速關斷時，流過Rb的電流最大，寄生三極管最容易發生導通，從而損壞功率MOSFET管。在一些極端的條件下，由于內部寄生三極管更早地導通，甚至在電壓的波形上，看不到箝位的電壓平臺，就直接損壞。
從失效的圖片來看，電感越小，產生損壞的區域也越大，主要的原因是電感小時，雪崩的電流大，大電流的沖擊形成更大的損壞區域。電感小時，雪崩的電流小，硅片的溫度相對上升得慢，內部更容易平衡，失效的形態是在硅片中間的某一個位置產生一個較小的擊穿小孔洞，通常稱為熱點，其產生的原因就是因為過壓而產生雪崩擊穿。硅片中間區域是散熱條件最差的位置，也是最容易產生熱點的地方。
小電感發生雪崩時，產生的電流更大，損壞的區域更靠近功率MOSFET的S極，這是因為在大電流時，全部流過功率MOSFET，所有的電流全部要匯集中S極，這樣，S極附近區域更易產生電流集中，因此溫度最高，也最容易產生損壞。
4 結論
(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試電感并沒有線性的關系。
(2)小電感雪崩時，更大的電流和更快的電流上升率，由此產生更快的溫度上升率，能量不能及時耗散出去，是導致小電感雪崩能量急劇降低的原因。
(3)大電感雪崩產生損壞的區域小，小電感雪崩由于大電流沖擊產生損壞的區域大，而且損壞距離更靠近S極。小電感條件下，大電流快速關斷更容易導致內部寄生三極管導通，損壞器件。
參考文獻
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