MOSFET規(guī)格書中單脈沖雪崩能量EAS如何理解？電路設(shè)計(jì)咋用它計(jì)算MOS會(huì)損壞嗎？

Part 01

前言

打開MOSFET規(guī)格書，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的MOSFET規(guī)格書在Maximum ratings，也就是極限電氣參數(shù)中給出Avalanche energy, single pulse的值，單位是mJ，對(duì)應(yīng)中文含義是單脈沖雪崩能量，那么這一參數(shù)到底表征了什么含義？當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)MOSFET電路時(shí)又該如何考量這一參數(shù)帶來(lái)的限制呢？

Part 02

單脈沖雪崩能量的定義

單脈沖雪崩能量簡(jiǎn)稱是EAS，這一參數(shù)是描述MOSFET在雪崩模式下能承受的能量極限的參數(shù)，我們一般在電路設(shè)計(jì)中拿這個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估MOSFET 的瞬態(tài)過壓耐受能力，進(jìn)而來(lái)評(píng)估器件在異常瞬態(tài)過壓情況下不會(huì)失效，接下來(lái)先簡(jiǎn)單回顧一下什么是雪崩。 當(dāng)MOSFET的漏極-源極電壓VDS超過其擊穿電壓VBR，漏極-源極之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使得載流子獲得足夠的動(dòng)能撞擊晶格，從而產(chǎn)生更多的載流子，這種載流子倍增效應(yīng)稱為“雪崩效應(yīng)”。如果持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)或能量過大，就會(huì)導(dǎo)致MOSFET永久損壞。

當(dāng)MOSFET驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，由于電感電流不能突變，當(dāng)MOSFET由ON轉(zhuǎn)換成OFF時(shí)，就會(huì)在MOSFET兩端產(chǎn)生一個(gè)較大的短時(shí)感應(yīng)電壓，比如下圖當(dāng)SW1閉合，M1斷開時(shí)，就會(huì)在MOSFET漏極產(chǎn)生上百V的感應(yīng)電壓（此感應(yīng)電壓的幅值和MOSFET的關(guān)斷速度以及電感感量有關(guān)系），此時(shí)若MOSFET兩端無(wú)鉗位保護(hù)電路，那么MOSFET就會(huì)應(yīng)為過壓進(jìn)入雪崩模式，這時(shí)候我們就需要使用單脈沖雪崩能量這一參數(shù)來(lái)評(píng)估MOSFET是否會(huì)因?yàn)殡姼挟a(chǎn)生的感應(yīng)電壓而損壞。

Part 03

實(shí)例分析

我們假定電源電壓VDD是20V，MOSFET驅(qū)動(dòng)了一個(gè)感性負(fù)載，感性負(fù)載的電感值為5mH，電感中的初始電流IL為10A，那么電感中儲(chǔ)存的能量就可以通過下面的公式計(jì)算出來(lái)：

其中L是感性負(fù)載的電感值

I是電感中初始電流

EAS=0.5*5*10*10=250mJ

然后我們查閱MOSFET規(guī)格書中的EAS最大是380mJ，說明用這個(gè)MOSFET還是靠譜的，但是我們需要注意的是這個(gè)方法只能粗略評(píng)估，因?yàn)橐?guī)格書此處給出的EAS參數(shù)是常溫下（25℃）的參數(shù)，我們的產(chǎn)品一般由于環(huán)境溫度，以及MOSFET自身發(fā)熱等因素影響，MOSFET的實(shí)際溫度會(huì)遠(yuǎn)高于25℃，那怎么辦呢？

MOSFET規(guī)格書一般會(huì)給出下面這個(gè)曲線，也就是雪崩特性曲線，

從上面的曲線可以看出，MOSFET雪崩時(shí)的電流，雪崩持續(xù)時(shí)間，溫度合圍了一個(gè)區(qū)域，MOSFET的溫度越高，合圍的區(qū)域越小，對(duì)應(yīng)MOSFET能耐受的單次脈沖雪崩能量也就越小，這也驗(yàn)證了我們上面說的拿極限EAS參數(shù)來(lái)評(píng)估MOSFET是否會(huì)損壞是不太準(zhǔn)的，因?yàn)楹鲆暳藴囟鹊挠绊憽?感性負(fù)載斷開時(shí)的電流我們是知道的，溫度我們也能通過溫升計(jì)算獲得，我們?cè)诖思俣ㄊ?00℃，那么就差一個(gè)實(shí)際tav，如果獲得tav呢？ 我們可以基于這一公式：L*di/dt=V來(lái)計(jì)算tav: tav=L*IL/(Vbr-VDD)=5*10/(60*1.3-20)=860us 讀圖可得當(dāng)溫度是100℃，860us對(duì)應(yīng)的雪崩電流最大約為6.5A，這意味著MOSFET在這種情況下實(shí)際上是會(huì)損壞的，和上面的結(jié)論剛好相反！