功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析

刘　松，杨　营

(万国半导体元件有限公司,上海 200070)

功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析

刘松，杨营

(万国半导体元件有限公司,上海 200070)

首先阐述了传统测试条件下功率MOSFET管的数据表中雪崩能量值的缺陷，然后讨论了针对实际应用对应着不同的测试电感值时，功率MOSFET雪崩能量的变化及特性，给出了相应的测试波形。同时，通过不同条件下功率MOSFET管雪崩失效的显微图片，详细地分析了相应的雪崩特性和产生的原因。在小电感条件下，大电流快速关断是功率MOSFET管雪崩最为恶劣的情况。

雪崩；非箝位感性负载开关；失效分析；过压

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 IAV，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IAV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、10μH、100μH。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。

图1　不同电感值的雪崩电流和能量

图2　不同电感值的波形和失效图

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VDS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，VDS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Rb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 Cds产生的动态电流。因此，大电流快速关断时，流过Rb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。

图3　功率MOSFET结构及等效电路

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。

［1］刘松.理解功率 MOSFET的 UIS［J］.今日电子，2010(4)：52-54.

［2］刘松，葛小荣.理解功率MOSFET的电流［J］.今日电子，2011：35-37.

［3］刘松，陈均，林涛.功率 MOS管 Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响［J］.电子技术应用，2010，12(36)：72-74.

［4］刘松，张龙，王飞,开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析［J］.电子技术应用，2013，39(3)：64-66.

［5］刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性［J］.今日电子，2009(11)：25-26.

［6］刘松，葛小荣.应用于线性调节器的中压功率MOSFET的选择［J］.今日电子，2012(2)：36-38.

［7］刘松.基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程［J］.今日电子，2008(11)：74-75.

［8］刘松.理解功率MOSFET的开关损耗［J］.今日电子，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）

刘松(1971-)，男，硕士，主要研究方向：开关电源系统及模拟电路的应用研究与开发。

中文引用格式：刘松，杨营.功率 MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析［J］.电子技术应用，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.