MOSFET规格书中单脉冲雪崩能量EAS如何理解?电路设计咋用它计算MOS会损坏吗?

原创 硬件那点事儿 2024-11-22 08:05

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Part 01

前言

打开MOSFET规格书,我们会发现所有的MOSFET规格书在Maximum ratings,也就是极限电气参数中给出Avalanche energy, single pulse的值,单位是mJ,对应中文含义是单脉冲雪崩能量,那么这一参数到底表征了什么含义?当我们在设计MOSFET电路时又该如何考量这一参数带来的限制呢?


Part 02

单脉冲雪崩能量的定义

单脉冲雪崩能量简称是EAS,这一参数是描述MOSFET在雪崩模式下能承受的能量极限的参数,我们一般在电路设计中拿这个参数来评估MOSFET 的瞬态过压耐受能力,进而来评估器件在异常瞬态过压情况下不会失效,接下来先简单回顾一下什么是雪崩。
当MOSFET的漏极-源极电压超过其击穿电压,漏极-源极之间会产生强电场,使得载流子获得足够的动能撞击晶格,从而产生更多的载流子,这种载流子倍增效应称为“雪崩效应”。如果持续时间过长或能量过大,就会导致MOSFET永久损坏。

当MOSFET驱动感性负载时,由于电感电流不能突变,当MOSFET由ON转换成OFF时,就会在MOSFET两端产生一个较大的短时感应电压,比如下图当SW1闭合,M1断开时,就会在MOSFET漏极产生上百V的感应电压(此感应电压的幅值和MOSFET的关断速度以及电感感量有关系),此时若MOSFET两端无钳位保护电路,那么MOSFET就会应为过压进入雪崩模式,这时候我们就需要使用单脉冲雪崩能量这一参数来评估MOSFET是否会因为电感产生的感应电压而损坏。


Part 03

实例分析

我们假定电源电压VDD是20V,MOSFET驱动了一个感性负载,感性负载的电感值为5mH,电感中的初始电流IL为10A,那么电感中储存的能量就可以通过下面的公式计算出来:

其中L是感性负载的电感值

I是电感中初始电流

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

然后我们查阅MOSFET规格书中的EAS最大是380mJ,说明用这个MOSFET还是靠谱的,但是我们需要注意的是这个方法只能粗略评估,因为规格书此处给出的EAS参数是常温下(25℃)的参数,我们的产品一般由于环境温度,以及MOSFET自身发热等因素影响,MOSFET的实际温度会远高于25℃,那怎么办呢?

MOSFET规格书一般会给出下面这个曲线,也就是雪崩特性曲线,

从上面的曲线可以看出,MOSFET雪崩时的电流,雪崩持续时间,温度合围了一个区域,MOSFET的温度越高,合围的区域越小,对应MOSFET能耐受的单次脉冲雪崩能量也就越小,这也验证了我们上面说的拿极限EAS参数来评估MOSFET是否会损坏是不太准的,因为忽视了温度的影响。
感性负载断开时的电流我们是知道的,温度我们也能通过温升计算获得,我们在此假定是100℃,那么就差一个实际tav,如果获得tav呢?
我们可以基于这一公式:L*di/dt=V来计算tav:
tav=L*IL/(Vbr-VDD)=5*10/(60*1.3-20)=860us
读图可得当温度是100℃,860us对应的雪崩电流最大约为6.5A,这意味着MOSFET在这种情况下实际上是会损坏的,和上面的结论刚好相反!


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