MOSFET的失效機理：dV/dt失效和雪崩失效

本文的關鍵要點

?當向MOSFET施加高于絕對最大額定值BVDSS的電壓時，會造成擊穿并引發雪崩擊穿。

? 發生雪崩擊穿時，會流過大電流，存在MOSFET失效的危險。

? MOSFET雪崩失效包括短路造成的失效和熱量造成的失效。

?dV/dt失效是MOSFET關斷時流經寄生電容Cds的充電電流流過基極電阻RB，使寄生雙極晶體管導通而引起短路從而造成失效的現象。

?dV/dt是單位時間內的電壓變化量，VDS的上升坡度越陡，越容易發生MOSFET的dV/dt失效問題。

?一般來說，反向恢復特性越差，dV/dt的坡度越陡，越容易產生MOSFET的dV/dt失效。

什么是雪崩擊穿

當向MOSFET施加高于絕對最大額定值BVDSS的電壓時，就會發生擊穿。當施加高于BVDSS的高電場時，自由電子被加速并帶有很大的能量。這會導致碰撞電離，從而產生電子-空穴對。這種電子-空穴對呈雪崩式增加的現象稱為“雪崩擊穿”。在這種雪崩擊穿期間，與 MOSFET內部二極管電流呈反方向流動的電流稱為“雪崩電流IAS”，參見下圖(1)。

MOSFET的雪崩失效電流路徑示意圖(紅色部分)

雪崩失效：短路造成的失效

如上圖所示，IAS會流經MOSFET的基極寄生電阻RB。此時，寄生雙極型晶體管的基極和發射極之間會產生電位差VBE，如果該電位差較大，則寄生雙極晶體管可能會變為導通狀態。一旦這個寄生雙極晶體管導通，就會流過大電流，MOSFET可能會因短路而失效。

雪崩失效：熱量造成的失效

在雪崩擊穿期間，不僅會發生由雪崩電流導致寄生雙極晶體管誤導通而造成的短路和損壞，還會發生由傳導損耗帶來的熱量造成的損壞。如前所述，當MOSFET處于擊穿狀態時會流過雪崩電流。在這種狀態下，BVDSS被施加到MOSFET并且流過雪崩電流，它們的乘積成為功率損耗。這種功率損耗稱為“雪崩能量EAS”。雪崩測試電路及其測試結果的波形如下圖所示。此外，雪崩能量可以通過公式(1)來表示。

雪崩測試的電路簡圖

雪崩測試中MOSFET的電壓和電流波形

雪崩能量公式

一般情況下，有抗雪崩保證的MOSFET，在其規格書中會規定IAS和EAS的絕對最大額定值，因此可以通過規格書來了解詳細的值。在有雪崩電流流動的工作環境中，需要把握IAS和EAS的實際值，并在絕對最大額定值范圍內使用。

引發雪崩擊穿的例子包括反激式轉換器中的MOSFET關斷時的反激電壓和寄生電感引起的浪涌電壓等。針對反激電壓引起的雪崩擊穿，對策包括在設計電路時采用降低反激電壓的設計或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對寄生電感引起的雪崩擊穿，改用引腳更短的封裝的MOSFET或改善電路板布局以降低寄生電感等都是比較有效的措施。

什么是dV/dt失效

如下圖(2)所示，dV/dt失效是由于MOSFET關斷時流經寄生電容Cds的瞬態充電電流流過基極電阻RB，導致寄生雙極晶體管的基極和發射極之間產生電位差VBE，使寄生雙極晶體管導通，引起短路并造成失效的現象。通常，dV/dt越大(越陡)，VBE的電位差就越大，寄生雙極晶體管越容易導通，從而越容易發生失效問題。

MOSFET的dV/dt失效電流路徑示意圖(藍色部分)

此外，在逆變器電路或Totem-Pole PFC等上下橋結構的電路中，反向恢復電流Irr會流過MOSFET。受該反向恢復電流影響的dV/dt，可能會使寄生雙極晶體管誤導通，這一點需要注意。dV/dt失效與反向恢復特性之間的關系可以通過雙脈沖測試來確認。雙脈沖測試的電路簡圖如下：

雙脈沖測試的電路簡圖

dV/dt和反向恢復電流的仿真結果如下圖所示。設MOSFET①～③的柵極電阻RG和電源電壓VDD等電路條件相同，僅反向恢復特性不同。圖中列出了Q1從續流工作轉換到反向恢復工作時的漏源電壓VDS和漏極電流(內部二極管電流)ID。

雙脈沖測試的仿真結果

一般情況下，與MOSFET①相比，MOSFET③可以說是“反向恢復特性較差(Irr和trr大)”的產品。從這個仿真結果可以看出，反向恢復特性越差，dV/dt的坡度就越陡峭。這一點通過流經電容器的瞬態電流通常用I=C×dV/dt來表示也可以理解。此外，在上述仿真中，Irr的斜率(di/dt)均設置為相同條件，但當di/dt陡峭時，dV/dt也會變陡峭。

綜上所述，可以說，在橋式電路中使用MOSFET時，反向恢復特性越差的MOSFET，發生MOSFET的dV/dt失效風險越大。