功率MOSFET的UIS概念解析

大家好，我是电源漫谈，在功率MOSFET规格书中，无钳位电感开关 (UIS) 额定值是一个非常有用的参数，器件使用者通过这个规格，在项目设计中可以筛选可能导致问题的脆弱器件。在使用温度范围内具有薄弱UIS能力，或者发生严重退化的器件(25°C至125°C之间大于30%) 应当被禁止，因为这些器件会更容易受到故障的影响。  

UIS测试实际就是模拟MOS在系统中遇到极端电热应力的测试，通过UIS测试，我们可以得到MOS器件耐受能量的能力。对于UIS测试的缘由，是因为在开关导通时，回路中会存储电感能量，而在开关关闭时，这个能量需要释放。这时候由于高压和大电流的存在，使得器件容易失效。通常使用UIS来作为衡量功率器件的可靠性指标，通常用EAS也就是单脉冲雪崩击穿能量，及EAR，也就是重复的雪崩击穿能量，来衡量MOS的耐受UIS的能力。

图1 MSC080SMA120B4的EAS参数说明  

在MOS器件关断过程中，如果电压过冲值（通常由漏电流和杂散电感造成）未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，但当电感上产生的电压超过MOSFET的击穿电压后，将导致雪崩击穿。  

为了防止这种情况发生，我们需要知道器件本身消耗雪崩能量的能力的大小。雪崩击穿能量标定的是器件可以容忍的瞬时过冲能量的安全值，即雪崩击穿过程中器件能够消散（消化）的能量。如图1所示EAS参数。  

EAS——单脉冲雪崩能量，该值标定的是器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。当雪崩击穿发生时，即使MOSFET处于关断状态，电感上的电流同样会流过MOSFET器件，电感上所储存的能量将全部通过MOSFET进行释放，该值不能大于器件的EAS，否则器件将会因过热而损坏。  

若MOSFET处于并联状态，不同器件之间的击穿电压很难完全相同，通常情况是某个器件率先发生雪崩击穿，随后所有的雪崩击穿电流（能量）都从该器件流过。  

EAR——重复雪崩能量，标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。  

重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率、其它损耗以及散热条件的情况下，该参数没有任何意义，散热（冷却）状况经常制约着重复雪崩能量。  

在验证器件设计的过程中，最好可以测量处于工作状态的器件（特别是可能发生雪崩击穿的器件）或者散热器的温度，来监测MOSFET器件是否存在过热情况。  

图2 UIS测试电路  

UIS测试由图2中所示的测试电路执行。在FET关闭时，其上施加了一个电源电压，然后检查器件上是否有泄漏电流。在FET接通时，电感器电流稳定增加。当达到所需的电流时，FET被关闭，FET上的Ldi/dt电压摆幅在MOSFET击穿电压之上，从而激活了其内在的寄生双极晶体管，并在FET上出现有效的雪崩效应。这项测试重复进行，电流逐渐增加，直到开始的泄漏测试失败，表明器件已被损坏。  

MOSFET应用过程中，如果其D和S极之间可能产生较大电压的尖峰，则需考虑器件的雪崩能量大小。电压达到雪崩击穿电压时所集中的能量主要由电感和电流大小决定。  

如在反激的应用中，MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰，存在雪崩击穿的可能，故通常的情况下，功率器件都会降额，从而留有足够的电压裕量。  

但是，在电源应用中，当输出出现短路时，初级电路回路中会产生较大的电流，再加上初级电感，器件就有可能发生雪崩损坏，因此在这样的应用条件下，就要考虑器件的雪崩能量。  

此外，由于一些电机的负载是感性负载，而其在启动和堵转过程中会产生极大的冲击电流，因此也要考虑所使用MOSFET器件的雪崩能量。  

值得注意的是，E = 0.5LI2 计算的是FET的雪崩能量，通过改变电感值，你能够更改受测器件上施加的雪崩能量应力。可以预见的是，电感值越大，损坏FET所需的UIS电流越低。然而，这个较小的电流不会被方程式(用于计算雪崩能量)中电感器增加的值抵消，这样的话，尽管电流减少了，雪崩能量实际上是增加了，因此设计人员在比较雪崩额定值时要注意，一定要确认UIS测试的具体条件。