功率器件的雪崩應(yīng)用與分析

功率器件作為電力電子裝置的核心器件，其在設(shè)計(jì)使用過程中的魯棒性能一直是工程師關(guān)心的問題，雪崩能力其中一個(gè)很重要的指標(biāo)，如何理解雪崩，單次雪崩和重復(fù)雪崩是如何定義的，以及雪崩會(huì)帶來哪些危害，在設(shè)計(jì)過程中工程師應(yīng)該如何考量，相信看完本文，你一定會(huì)對(duì)這些有更深層次的理解。

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什么是雪崩

雪崩是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其中電子在電場(chǎng)下被加速到足以電離電子碰撞的原子，從而釋放更多電子以產(chǎn)生進(jìn)一步的碰撞電離。如下圖所示，在電場(chǎng)作用下，一個(gè)產(chǎn)生兩個(gè)，兩個(gè)產(chǎn)生四個(gè)…… 這樣進(jìn)一步會(huì)產(chǎn)生更多的電子碰撞形成雪崩。仔細(xì)觀察這個(gè)雪崩原理和核裂變的原理非常相近，都是相互碰撞從而產(chǎn)生更多的電子（核裂變是中子）參與此過程。

功率器件的雪崩性能通常用非鉗位感性負(fù)載開關(guān)（UIS, 英文全稱為Unclamped Inductive Switching）測(cè)試電路測(cè)量得到，如下圖所示。當(dāng)柵極施加開通信號(hào)時(shí)，管子打開，電感電流穩(wěn)步上升，當(dāng)關(guān)閉管子時(shí)，由于電感電流不能瞬間突變，電流會(huì)持續(xù)的流過管子并且造成管子兩端的電壓急速上升，這個(gè)電壓一般被鉗位在管子的擊穿電壓直至電流降為零，由于在此階段內(nèi)，管子同時(shí)經(jīng)過高電壓和大電流，瞬間功耗極大，極易引起管子失效。

這個(gè)擊穿電壓一般為管子耐壓值的1.1倍至1.3倍，為什么這個(gè)擊穿電壓是浮動(dòng)的呢，這是因?yàn)楣茏铀幍臏囟瓤赡懿煌话銣囟仍礁撸鄳?yīng)的擊穿電壓也就越高，所以很多時(shí)候我們?cè)诤芏嘁?guī)格書中看到的雪崩能量E(AL)是基于1.3倍的耐壓值進(jìn)行計(jì)算的。

UIS能力是衡量功率器件可靠性的重要指標(biāo)，通常用E(AL)S（單脈沖雪崩能量）和E(AL)R（重復(fù)雪崩能量）來衡量器件的雪崩能力。那么如何計(jì)算雪崩能量呢，雪崩能量即是在這次雪崩事件中瞬時(shí)功率和時(shí)間的乘積，即

那么發(fā)生了雪崩，管子會(huì)不會(huì)損壞呢？雪崩是否會(huì)損壞器件，這主要取決于它的瞬態(tài)結(jié)溫能否超過Tjmax。在雪崩期間，它的電流和電壓都很高，所以它的瞬態(tài)功率是非常大的。下圖為管子整個(gè)雪崩期間的瞬態(tài)結(jié)溫，如果它的結(jié)溫超過了管子所允許的最大結(jié)溫（一般是175C），那是很有可能損壞管子的，此處說是有可能而不是絕對(duì)，這是因?yàn)橛袝r(shí)候即使超過Tjmax, 管子不會(huì)立即損壞，仍然能正常工作，但是長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)影響壽命，管子特性會(huì)發(fā)生改變（后面會(huì)詳細(xì)講述），出于功能和可靠性的原因，廠家是不允許超過規(guī)格書中標(biāo)注的溫度。

那么判斷它對(duì)的結(jié)溫是否滿足規(guī)格書的要求呢，即如何計(jì)算Tjmax，瞬態(tài)結(jié)溫是瞬態(tài)功率和瞬態(tài)熱阻的乘積，此處，從上圖可以看出一般在（t(AV)/2）的時(shí)候溫度最高，這是熱阻的RC特性以及瞬態(tài)功率為三角形的原因?qū)е碌摹＞唧w公式如下，其中Tj為管子在雪崩之前的溫度。

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如何辨別單次雪崩和重復(fù)雪崩

如何辨別單次雪崩和重復(fù)雪崩是一個(gè)非常重要的問題，從雪崩的次數(shù)，從雪崩的時(shí)間長(zhǎng)度，周期，溫度變化等來判斷，似乎都不是，這些條件都比較片面，比如說有時(shí)雪崩后面會(huì)帶有一些震蕩，所以如何判斷呢？

單次雪崩是發(fā)生在在正常應(yīng)用中的一種錯(cuò)誤工況，隨機(jī)發(fā)生，所以這種工況有可能會(huì)引起管子失效，并且這種工況發(fā)生的頻率很低，上圖為單一雪崩時(shí)管子結(jié)溫的波形曲線。

重復(fù)雪崩是人為的已經(jīng)被設(shè)計(jì)在應(yīng)用中，并且會(huì)在某個(gè)或者多個(gè)周期內(nèi)定期進(jìn)入雪崩狀態(tài)。比如一些電機(jī)應(yīng)用中的快速放電電路，有些方案選擇用功率器件的重復(fù)雪崩來快速放電。上圖為重復(fù)雪崩時(shí)管子結(jié)溫的波形曲線。

簡(jiǎn)單來說，辨別單一雪崩和重復(fù)雪崩主要是看這個(gè)雪崩事件是否是人為故意引入的。一個(gè)已經(jīng)被考慮在設(shè)計(jì)里并且在某種情況下會(huì)工作于此狀態(tài)（重復(fù)雪崩），發(fā)生的概率較大，雪崩的能量較低，可控。一個(gè)是隨機(jī)發(fā)生，再設(shè)計(jì)中并未被考慮進(jìn)去，發(fā)生的概率較低，但雪崩的能量或非常大。

重復(fù)雪崩看起來是對(duì)單次雪崩事件的重復(fù)，兩者看起來非常相似，但背后的邏輯卻差別很大，尤其是系統(tǒng)的穩(wěn)定和最大結(jié)溫，這會(huì)影響工程師在設(shè)計(jì)時(shí)的散熱和選型。

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如何判斷是否滿足規(guī)格書

如上文所說，如果功率器件的單次雪崩瞬態(tài)結(jié)溫超過了規(guī)格書所允許的最大結(jié)溫，則器件可能會(huì)出現(xiàn)永久性的損壞，那么如何辨別實(shí)際應(yīng)用中的雪崩是規(guī)格書中所允許的呢，下面以英飛凌的ISC011N06LM5為例，來詳細(xì)分析下雪崩曲線。

上圖為其雪崩特征曲線圖，25C結(jié)溫曲線顯示了在初始Tj為25C時(shí)，給定tav的最大允許I(AL)，此時(shí)最大I(AL)導(dǎo)致的最大允許結(jié)溫Tj(max)為175C，這意味著允許的溫升為150C。特征曲線下的面積是允許的安全操作面積（SOAR），同樣的，100C（和150C）的結(jié)溫曲線是初始結(jié)溫Tj為100C(150C)的最大允許的雪崩能力，允許的溫升為75C(和25C)。

此處需要注意的是一般我們上圖三個(gè)曲線（25C，100C，150C）的雪崩特征認(rèn)為是單次雪崩，很多廠家并不會(huì)標(biāo)出重復(fù)雪崩能力有關(guān)的問題，這主要是由于此類問題的復(fù)雜性以及難以識(shí)別設(shè)備中潛在的物理退化問題。由于重復(fù)雪崩的磨損及創(chuàng)傷性質(zhì)，長(zhǎng)期重復(fù)的雪崩操作是及其危險(xiǎn)的。

那么如何判斷實(shí)際的雪崩應(yīng)用是否超過規(guī)格書的要求呢，下面以ISC011N06LM5為例，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的工況來詳細(xì)解釋。

工況為：L=2mH，I(AL)=20A，V(BR)DSS=60V，VDD=0V。

根據(jù)上述的工況，結(jié)合1部分中提供的公式，可以計(jì)算出tAL等于0.5ms, 可以看出操作點(diǎn)在25C和100C曲線中間，這看起來操作條件有可能是可行的。下一步需要計(jì)算瞬態(tài)結(jié)溫，從規(guī)格書中我們可以查出Zth(0.25ms)約為0.09K/W，根據(jù)1部分提供的公式，可以計(jì)算出瞬態(tài)的溫升為94C，所以如果在進(jìn)行雪崩之前的溫度Tj能夠小于81C，則此工況是滿足規(guī)格書要求的。

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雪崩對(duì)器件的影響

雪崩究竟對(duì)器件有何影響呢，除了上文提到的不管是單次雪崩還是重復(fù)雪崩如果超過了Tjmax有可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞，那么如果滿足Tjmax，雪崩到底會(huì)不會(huì)影響器件的功能呢？

答案是肯定的，對(duì)管子來說雪崩絕對(duì)算是損傷或是磨損，或大或小，或明顯或不明顯，但是如果雪崩次數(shù)夠多，管子的性能將會(huì)逐漸發(fā)生變化，這也是為什么最近這些年一些大廠的規(guī)格書會(huì)根據(jù)不同的工況提供脈沖次數(shù)的限制。

上圖是實(shí)驗(yàn)室重復(fù)雪崩的一些測(cè)試結(jié)果，隨著雪崩次數(shù)的增多，閾值（Vth）在降低，Rdson在升高。

怎么理解這一現(xiàn)象呢，下圖為當(dāng)前主流的單溝槽結(jié)構(gòu)和雙溝槽結(jié)構(gòu)（目前主要是溝槽型，平面型的雪崩能力要強(qiáng)很多），在雪崩過程中，由于功率器件的結(jié)構(gòu)柵極附近的電場(chǎng)較為集中，通過的電子相對(duì)較多。對(duì)于雪崩，其是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，相互碰撞從而釋放更多電子進(jìn)一步碰撞電離。在這個(gè)過程中難免會(huì)有一些會(huì)誤撞損傷了柵極氧化層，降低了柵極絕緣性，Vth降低。另外在雪崩碰撞的過程中，不可避免的會(huì)導(dǎo)致一些晶胞損壞掉，從而增大了Rdson。所以工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候必須要考慮雪崩所帶來的一些負(fù)面效果，尤其是一些并聯(lián)設(shè)計(jì)等等。

基于以上的分析，目前有些廠家已經(jīng)專門提供了可以承受更大雪崩能量以及更多的雪崩次數(shù)的管子，主要是對(duì)溝槽型柵極附近的更改。但是要記住，任何事情都是公平的，沒有無緣無故的好，也沒有無緣無故的壞。雪崩能力的提升帶來的是Rdson的增加以及開關(guān)損耗的增加，這會(huì)對(duì)工程師的熱設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，所以工程師再設(shè)計(jì)的時(shí)候要分析清什么才是我們所需要的。