MOSFET的失效機(jī)理

MOSFET等開(kāi)關(guān)器件可能會(huì)受各種因素影響而失效。因此，不僅要準(zhǔn)確了解產(chǎn)品的額定值和工作條件，還要全面考慮電路工作中的各種導(dǎo)致失效的因素。本系列文章將介紹MOSFET常見(jiàn)的失效機(jī)理。

什么是SOA（Safety Operation Area）？

SOA是“Safety Operation Area”的縮寫(xiě)，意為“安全工作區(qū)”。要想安全使用MOSFET，就需要在SOA范圍內(nèi)使用MOSFET，超過(guò)這個(gè)范圍就有可能造成損壞。在SOA范圍之外工作時(shí)造成的損壞稱為“SOA失效”。例如，SJ MOSFET（Super Junction MOSFET）R6024KNX的SOA如下所示：

SJ MOSFET R6024KNX的SOA

SOA由縱軸上的漏極電流ID和橫軸上的漏源電壓VDS來(lái)表示。也就是說(shuō)，VDS、ID及它們的乘積（功率損耗PD）、以及二次擊穿區(qū)決定了MOSFET的安全工作范圍。另外，施加功率的脈沖寬度PW也是決定SOA的重要因素。SOA劃分為圖中所示的（1）～（5）個(gè)區(qū)域。

SOA的區(qū)域劃分、限制以及與失效之間的關(guān)系

下面介紹一下圖中的區(qū)域（1）～（5）。

■區(qū)域（1）：漏極電流ID受MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（ON）限制的區(qū)域

是指即使施加的VDS小于絕對(duì)最大額定值，ID也會(huì)受到RDS（ON）限制的區(qū)域。根據(jù)歐姆定律I=V/R，ID只能流到紅線位置?！鶊D中的區(qū)域是VGS＝10V時(shí)的示例

■區(qū)域（2）：由施加脈沖時(shí)漏極電流的絕對(duì)最大額定值IDP決定的區(qū)域

（2）的綠線是規(guī)格書(shū)中規(guī)定的IDP的絕對(duì)最大額定值。當(dāng)然，絕對(duì)最大額定值是絕對(duì)不能超過(guò)的，因此當(dāng)IDP超過(guò)該值時(shí)是無(wú)法使用的。如果在超過(guò)該值的范圍（電流值）使用，由于超出了保證的工作范圍，因此可能會(huì)造成損壞。

■區(qū)域（3）：熱限制區(qū)域

這是由MOSFET的容許損耗PD決定的區(qū)域。受施加功率的脈沖寬度PW和瞬態(tài)熱阻的限制。只要在該范圍內(nèi)，Tj通常不會(huì)超過(guò)絕對(duì)最大額定值TjMAX，因此可以安全使用。但是請(qǐng)注意，該線會(huì)因環(huán)境溫度、MOSFET的實(shí)際安裝條件和散熱條件等因素而異。此外，作為開(kāi)關(guān)使用MOSFET時(shí)，可能會(huì)瞬間被施加高電壓和大電流，因此即使在開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)狀態(tài)下也必須注意不要超過(guò)區(qū)域（3）的限制。

■區(qū)域（4）：二次擊穿區(qū)域

當(dāng)在施加高電壓的狀態(tài)下流過(guò)電流時(shí)，元器件內(nèi)部的局部可能會(huì)流過(guò)大電流并造成損壞，這稱為“二次擊穿”。這條線是用來(lái)防止造成二次擊穿狀態(tài)的限制線。與區(qū)域（3）的熱限制區(qū)域一樣，二次擊穿區(qū)域也受環(huán)境溫度等因素的影響。

■區(qū)域（5）：由MOSFET漏源電壓的絕對(duì)最大額定值VDSS決定的區(qū)域

這是規(guī)格書(shū)中規(guī)定的受VDSS限制的區(qū)域，如果超過(guò)這個(gè)區(qū)域，就可能發(fā)生擊穿并造成損壞。需要注意的是，由反激電壓和寄生電感引起的電壓變化，可能會(huì)瞬間超過(guò)該限制。

什么是雪崩擊穿

當(dāng)向MOSFET施加高于絕對(duì)最大額定值BVDSS的電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。當(dāng)施加高于BVDSS的高電場(chǎng)時(shí)，自由電子被加速并帶有很大的能量。這會(huì)導(dǎo)致碰撞電離，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這種電子-空穴對(duì)呈雪崩式增加的現(xiàn)象稱為“雪崩擊穿”。在這種雪崩擊穿期間，與 MOSFET內(nèi)部二極管電流呈反方向流動(dòng)的電流稱為“雪崩電流IAS”，參見(jiàn)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(huì)流經(jīng)MOSFET的基極寄生電阻RB。此時(shí)，寄生雙極型晶體管的基極和發(fā)射極之間會(huì)產(chǎn)生電位差VBE，如果該電位差較大，則寄生雙極晶體管可能會(huì)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。一旦這個(gè)寄生雙極晶體管導(dǎo)通，就會(huì)流過(guò)大電流，MOSFET可能會(huì)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(huì)發(fā)生由雪崩電流導(dǎo)致寄生雙極晶體管誤導(dǎo)通而造成的短路和損壞，還會(huì)發(fā)生由傳導(dǎo)損耗帶來(lái)的熱量造成的損壞。如前所述，當(dāng)MOSFET處于擊穿狀態(tài)時(shí)會(huì)流過(guò)雪崩電流。在這種狀態(tài)下，BVDSS被施加到MOSFET并且流過(guò)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(cè)試電路及其測(cè)試結(jié)果的波形如下圖所示。此外，雪崩能量可以通過(guò)公式（1）來(lái)表示。

雪崩測(cè)試的電路簡(jiǎn)圖

雪崩測(cè)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(guī)格書(shū)中會(huì)規(guī)定IAS和EAS的絕對(duì)最大額定值，因此可以通過(guò)規(guī)格書(shū)來(lái)了解詳細(xì)的值。在有雪崩電流流動(dòng)的工作環(huán)境中，需要把握IAS和EAS的實(shí)際值，并在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)使用。

引發(fā)雪崩擊穿的例子包括反激式轉(zhuǎn)換器中的MOSFET關(guān)斷時(shí)的反激電壓和寄生電感引起的浪涌電壓等。針對(duì)反激電壓引起的雪崩擊穿，對(duì)策包括在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用降低反激電壓的設(shè)計(jì)或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對(duì)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(guān)斷時(shí)流經(jīng)寄生電容Cds的瞬態(tài)充電電流流過(guò)基極電阻RB，導(dǎo)致寄生雙極晶體管的基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生電位差VBE，使寄生雙極晶體管導(dǎo)通，引起短路并造成失效的現(xiàn)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(dǎo)通，從而越容易發(fā)生失效問(wèn)題。

MOSFET的dV/dt失效電流路徑示意圖（藍(lán)色部分）

此外，在逆變器電路或Totem-Pole PFC等上下橋結(jié)構(gòu)的電路中，反向恢復(fù)電流Irr會(huì)流過(guò)MOSFET。受該反向恢復(fù)電流影響的dV/dt，可能會(huì)使寄生雙極晶體管誤導(dǎo)通，這一點(diǎn)需要注意。dV/dt失效與反向恢復(fù)特性之間的關(guān)系可以通過(guò)雙脈沖測(cè)試來(lái)確認(rèn)。雙脈沖測(cè)試的電路簡(jiǎn)圖如下：

雙脈沖測(cè)試的電路簡(jiǎn)圖

關(guān)于在雙脈沖測(cè)試中的詳細(xì)情況，請(qǐng)參考R課堂基礎(chǔ)知識(shí) 評(píng)估篇中的“通過(guò)雙脈沖測(cè)試評(píng)估MOSFET的反向恢復(fù)特性”。

dV/dt和反向恢復(fù)電流的仿真結(jié)果如下圖所示。設(shè)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(fù)特性不同。圖中列出了Q1從續(xù)流工作轉(zhuǎn)換到反向恢復(fù)工作時(shí)的漏源電壓VDS和漏極電流（內(nèi)部二極管電流）ID。

雙脈沖測(cè)試的仿真結(jié)果

一般情況下，與MOSFET①相比，MOSFET③可以說(shuō)是“反向恢復(fù)特性較差（Irr和trr大）”的產(chǎn)品。從這個(gè)仿真結(jié)果可以看出，反向恢復(fù)特性越差，dV/dt的坡度就越陡峭。這一點(diǎn)通過(guò)流經(jīng)電容器的瞬態(tài)電流通常用I=C×dV/dt來(lái)表示也可以理解。此外，在上述仿真中，Irr的斜率（di/dt）均設(shè)置為相同條件，但當(dāng)di/dt陡峭時(shí)，dV/dt也會(huì)變陡峭。

綜上所述，可以說(shuō)，在橋式電路中使用MOSFET時(shí)，反向恢復(fù)特性越差的MOSFET，發(fā)生MOSFET的dV/dt失效風(fēng)險(xiǎn)越大。

至此，我們已經(jīng)介紹了MOSFET的SOA失效、MOSFET的雪崩失效和MOSFET的dV/dt失效。要想安全使用MOSFET，首先不能超過(guò)MOSFET規(guī)格書(shū)中的絕對(duì)最大額定值，另外，了解這些MOSFET的失效機(jī)理之后再進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和工作條件設(shè)置是非常重要的。

審核編輯：湯梓紅