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MOSFETIC使用盲点与对策PowerMOSFETIC主要应用在功率电路终端输出段，由于使用上必需面对各种严苛的动作要求与环境考验，因此MOSFETIC经常在使用中遭到破坏，有鉴于此本文要探讨有关PowerMOSFETIC使用上的盲点与破坏机制，同时介绍各种对策技巧避免组件产生发热、损毁问题。PowerMOSFET的破坏模式表1是MOSFETIC应用领域与破坏模式一览。PowerMOSFET的破坏模式可分为五大类，分别是:⑴.溃散(Avalcache)破坏模式(又称为过电压破坏模式)当电洞(surge)电压超过组件最大定额电压VDSS时，电洞电压会流到drain与source之间，严重时甚至会进入降伏电压V(BR)DSS领域，当电洞电压累积一定能量(温度、电流、dv/dt)时，就会引发组件损坏等后果。⑵.ASO(AreaofSafeOperation)破坏ASO破坏是指组件的最大定额drain电流ID，超过drain与source之间的电压VDSS与容许channel损失Pch所造成的破坏而言。由于它是过电流、过电压与过电力，超越安全动作领域造成的破坏现象，因此又称为发热要因破坏。发热要因可分为连续性与过渡性两种，具体内容分别如下:•连续性发热a.在活性领域(模拟动作)以直流电力，或是一定的duty施加连续脉冲电力时，极易造成组件发热现象。b.ON阻抗RDS(on)造成的损失(尤其是温升造成该损失超越容许散热电力容量时)也会引起组件发热。c.drain与source之间的漏电电流IDSS造成的损失(无冷却风扇封装高温动作的场合除外，一般而言它比其它损失低)，也会引起组件发热。•过渡性发热a.脉冲性过大电力(又称为oneshot脉冲ASO破坏)也会造成组件发热现象。b.负载短路造成过大电力(又称为负载短路ASO破坏)也会使组件出现发热现象，它与温度有依存性(与温度有互动关系)。c.switching损失(turnON，turnOFF时)造成的组件发热现象，它与动作频率有依存性。d.内建二极管(diode)逆回复时间trr造成的损失也会引起组件发热，它与温度、动作频率有依存关系。⑶.内建二极管的破坏它是指PowerMOSFET内建的二极管电压逆回复时，造成PowerMOSFET的寄生双极性晶体管(bipolartransistor)动作，进而引发组件破坏现象而言。(4).寄生波动破坏现象主要原因是寄生电感(inductance)(gate、source、负载drain，与各电路连接之间的电感产生的现象)造成波动性振动电压，进而引发正复归与gateovershot电压导致组件遭到破坏。⑸.静电破坏(gatesurge造成的过电压)它可分为外部电力对PowerMOSFET的gate-source之间，施加surge过电压造成gate过电压破坏现象；以及人体、封装作业、量测设备等带静电物体，造成的gateESD(ElectroStaticDischarge)破坏现象等两大类。由于实际上PowerMOSFET引发(trigger)的破坏原因错综复杂，因此必需根据用途与动作要求，针对这些破坏模式进行事前分析，依此选择最适宜的组件才是根本解决对策，此外电路设计阶段，事前的电路定数与封装细节检讨，也是非常重要的一环。(a)民生、产业用◎:重要项目，使用上必需考虑电路定数、组件特性、破坏特性等等○:需注意项目(b)汽车产业用表1MOSFETIC应用领域与破坏模式一览Avalcache破坏与对策所谓「Avalcache破坏」是指诱导负载时，switching动作turnOFF产生的flyback电压，或是drain负载的寄生电感产生的spike电压，超越PowerMOSFET的drain-source额定电压，并进入损毁(breakdown)领域导致组件发生破坏现象而言。图1分别是测试Avalcache破坏耐量的电路，以及Avalcache破坏的动作波形。如图所示它将电压波形的时段定义为组件溃散(Avalcache)期间。假设组件发生surge电压，即使该surge峰值电压Vds(peak)是在VDSS(最大额定值)Vds(peak)＜V(BR)DSS范围内(亦即超越额定电压却未进入Avalcache降伏领域)，然而组件的实质耐压V(BR)DSS会出现掉入Avalcache范围，与无掉入Avalcache范围之虞两种可能，因此笔者建议选择组件时最好采用保证Avalcache耐量的MOSFETIC比较妥当。Avalcache耐量保证组件对Avalcache电流定额IAP、Avalanche能量(energy)值EAR都有严谨规范，它可用下列数学公式表示:L负载造成的能量一般是用E=(1/2)LI2表示，需注意的是（）括号内的项次，它意味着即使相同耐量的组件，由于使用的电源电压VDD不同，Avalcache电流值IAP也会随着改变。例如V(BR)DSS=550V高耐压组件，分别使用VDD1=50V,VDD2=350V两种电源电压，VDD1=50V时（）括号内的值为1.1；VDD2=350V时（）括号内的值则分别成为2.75倍、2.5倍，换句话说如果以Avalcache电流值IAP观察组件的耐量时，根据下列计算式证实delayingD必需低于37%。换句话说假设L=1mH,V(BR)DSS=550V,VDD1=50V，组件保证IAP=10A(亦即EAR=22mJ)，实际使用条件VDD2=50V时，IAP必需在6.3A范围内使用，除此之外Avalcache状态下的峰值频道(peakchannel)温度，Tch(peak)同样需在定额频道温度Tchmax(150oC)范围内使用。(a)标准测试电路(c)Avalcache能量的计算式如图2所示，影响Avalcache破坏耐量值的要因有三项，分别是:‧Avalcache电流值IAP定额造成的限制主要原因是Avalcache耐量保证组件，与一般动作电流ID定额一样，都会受到Avalcache电流IAP定额的限制。‧Avalcache时channel温度Tchover造成的限制它与一般动作一样，Avalcache动作时的channel温度Tchmax.只有150oC，这意味着ON阻抗与switching损失如果接近Tch=150oC的话，就不能以Avalcache方式动作。‧Avalcache时dv/dt造成的限制尤其是Avalcache耐量的破坏值，随着dv/dt变大有降低的倾向。图2影响Avalcache破坏耐量的要因图3是针对高耐压500V等级MOSFET组件，2SK1168的Avalcache破坏电流IAP，与Avalcache破坏能量EAR是否会随着负载电感L移动，进行实验获得的结果。根据测试结果显示随着电感L值增加，破坏电流IAP会逐渐降低，破坏能量EAR则出现变大倾向，由此可知判断Avalcache破坏耐压的强弱，必需同时检讨破坏电流IAP与破坏能量EAR。一般而言低低电感值L、大破坏能量EAR的MOSFETIC，通常Avalcache耐量都比较大。图3Avalcache破坏电流与破坏能量的关系图4是有关Avalcache破坏电流IAP，与dv/dt耐量依存性测试结果。由图3的等价电路可知，PowerMOSFET是由drain与source之间寄生双极性晶体管构成，因此dv/dt变得非常急峻时，就会出现通过输出容量Cds的过渡性电流开始流动，当等价电路的Rb过渡性峰值电压超越VBE(on)(大约是0.6V)时，寄生双极性晶体管会变成ON，最后造成组件的破坏耐量大幅降低等严重后果。所幸的是图4测试结果显示，dv/dt≦10V/ns还在安全领域的动作范围，所以使用上还算安全。必需提醒读者注意的是dv/dt的耐量，随着组件种类会有很大的差异，因此使用上必需特别谨慎。(a)测试电路(b)测试结果图4Avalcache破坏电流与dv/dt耐量图5是实际Avalcache的波形。此处以Avalcache耐量保证组件2SK2869为例，介绍如何判断该组件的特性是否在保证范围:➊.Avalcache动作为oneshotpulse时a.首先确认Avalcache电流IAP，是否在Avalcache保证电流定额IAPmax.范围内？根据图6Avalcache耐量保证值，与破坏电流值的IAP-L依存性可知，L=5mH条件下，IAPmax.大约是7.5Amax，依此确认图5的波形为4A，仍然在保证范围内。b.确认Avalcache动作时的channel温度Tch是否在Tchmax.150oC范围内？计算Avalcache动作时的channel温度Tchmax.，必需先求出Avalcache动作前的起始频道温度T(s)ch(周围温度TA＋case温度TC＋ON阻抗损失+switching损失造成的温升)。假设T(s)ch=60oC，而且dv/dt在安全动作范围内使用，Avalcache动作时的channel温度Tch，可用下列数学式表示:Tch=T(s)ch+Pchθch-c(t)=T(s)ch+{(1/2)V(BR)DSSIAPch-c(t)}式中的θch-c(t)为过渡热阻抗，它可以从MOSFET组件的热阻抗特性技术数据求得。溃散(Avalcache)期间ta=400μs的过渡热阻抗计算如下:θch-c(t=400μs)=Ys(t)χθch-c=0.08χ4.17=0.3336oC/W接着将各数据代入上式，就可以求出channel温度Tch。Tch=60+(1/2)χ80χ4χ0.3336=113.4oC根据以上计算结果可知channel温度Tch=113.4oC，仍然在定额Tchmax150oC保证范围内。图5Avalcache期间与Drain-Source之间的电压电流波形的关系➋.Avalcache动作为连续反复状态时Avalcache动作为连续反复状态时，基本上它是以Avalcache电流IAP，与channel温度Tch两点为基准作保证，所以使用上必需进行以下确认动作:a.确认反复Avalcache动作时的channel温度图7是反复Avalcache动作时的channel温度特性，如图所示PowerMOSFET的channel温度Tch可分成:一.周围温度TA以及case温度Tc→Ⓐ部二.ON阻抗RDS(on)损失造成的温升ΔTch(R)→Ⓑ部三.Avalcache动作损失造成的温升ΔTch(AV)→Ⓒ部三大部份，因此选用PowerMOSFETIC时，必需仔细确认以上所有channel温度，是否都在最大定额亦即channel温度150oC保证值范围内。b.确认起始channel温度T(s)ch上述channel温度结构中，Ⓐ部的TA、TA，加上Ⓑ部的ΔTch(R)就是所谓的「起始channel温度ΔT(s)ch」，由于该温度与Avalcache电流的delaying也有关连，同时更是oneshot脉冲动作，与连续动动作不可或缺的数据，因此设计上必需作精密的计算与事后检讨。图6Avalcache耐量保证值与破坏电流值的关系(IAP-L依存性)c.确认电感(inductance)Avalcache电流的保证范围(参考图6)根据图6的资料可知，T(s)ch=25oC实用的电感值，与Avalcache电流仍在保证范围内。d.确认起始channel温度T(s)ch与Avalcache电流的delayingrateAvalcache电流的使用范围IAP，必需符合channelTchmax=150oC要求，然而IAP会随着起始channel温度不断改变。此处利用起始channel温度(周围温度TA、case温度Tc、ON阻抗损失等条件)计算delaying，假设连续Avalcache动作时的totalchannel温度Tchmax，是以PowerMOSFETcase温度Tc当作基准，如此就能够利用图8的数学式求得channel温度。如果不是利用case温度Tc，而是以周围温度TA作计算时，计算式中