過電壓從何而來？

　　罪魁禍?zhǔn)缀芮宄?，很容易識別：它是寄生電感 L滲漏，在傳輸時間內(nèi)不會通過續(xù)流二極管 D2 消磁。其中儲存的能量（1/2 升滲漏我2） 轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有的寄生電容并在那里產(chǎn)生過電壓 （1/2 CparasiticV2 版本).如果沒有寄生電容，電壓將上升到無窮大。反激式轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的 MOSFET 電壓（圖 1），因為過壓疊加在肩電壓上。

　　圖 1.反激式轉(zhuǎn)換器原理，具有漏感和 R-C-D 緩沖網(wǎng)絡(luò)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]

　　由于變壓器中的氣隙和位于次級側(cè)的續(xù)流二極管，這種拓撲的漏感非常高。開關(guān)晶體管的結(jié)電容很低，導(dǎo)致高過壓峰值（圖 2）。然而，無論拓撲結(jié)構(gòu)如何，由于引線和過孔的原因，總會有一些漏感。

　　圖 2.反激式轉(zhuǎn)換器開關(guān)晶體管上的典型漏極電壓曲線。圖片由 Bodo's Power Systems 
　　很難正確測量這個過壓峰值，因為它會因探頭電容的影響而降低。此外，峰值有時只有幾納秒長，整個探頭和示波器系統(tǒng)的屬性（帶寬、分辨率、存儲深度）通常不足。有趣的是，三位不同的工程師使用自己的設(shè)備對同一電源進行的測量得出的漏極電壓值在 710 V 和 850 V 之間。對于 750 V MOSFET，這可能是生與死的區(qū)別。
　　您需要 Snubber 網(wǎng)絡(luò)嗎？
　　我們只在室溫下測量電源樣品。過壓峰值取決于寄生元件屬性，這些屬性的值規(guī)定得很差，而且容差也很大，并且與溫度有關(guān)。因此，建議在開關(guān)晶體管上安裝緩沖器，以減輕生產(chǎn)量的波動。對于反激式轉(zhuǎn)換器，我認(rèn)為經(jīng)典的 R-C-D 緩沖器（圖 1）是可靠性方面的解決方案。電容器吸收漏感的能量，電阻器在下一個周期將其放電，二極管確保在充電方向上形成低阻抗電路，并在放電方向?qū)㈦娮鑾腚娐罚韵薅鹊販p少開關(guān)晶體管導(dǎo)通時的損耗。這意味著緩沖二極管用作漏感的續(xù)流二極管，因此應(yīng)盡可能靠近 MOSFET 的漏極。或者，您可以使用單個電容器、R-C 元件或吸收電壓尖峰的堅固 TVS 二極管。不幸的是，緩沖器會花費金錢和空間，并增加功率損耗。
　　雪崩能量和雪崩電流對 MOSFET 意味著什么？
　　如果半導(dǎo)體中發(fā)生過電壓，個電子就會從其鍵中被敲出，從而敲除更多的電子。這會導(dǎo)致 avalanche 效果，從而破壞組件。對于具有雪崩能量額定值的 MOSFET，在觸發(fā)雪崩效應(yīng)之前，必須首先超過某個能量閾值。該能量在 MOSFET 的數(shù)據(jù)表中指定。

　　在 ST45N65 的情況下，在 25 °C 的結(jié)溫下，雪崩能量額定值正好為 810mJ（圖 3）。當(dāng)然，這個值是完全無關(guān)緊要的。哪種開關(guān)晶體管在 25 °C 下工作？110 °C 時的雪崩能量要相關(guān)得多。了解這一點很重要，但數(shù)據(jù)表中未指定。

　　圖 3.摘自 STF45N65 數(shù)據(jù)表。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
　　意法半導(dǎo)體的這款 MOSFET 可以脈沖 140 A，但雪崩電流指定為 9 A（圖 3）。主電感和漏感中的電流相同，關(guān)斷后繼續(xù)流入 MOSFET。誰在 9 A 下作 140 A MOSFET？

　　英飛凌對此進行了更好的說明。在 IPL60R185P7 的 600 V CoolMOS 數(shù)據(jù)表中，雪崩能量被指定為溫度的函數(shù)（圖 4）。

　　圖 4.雪崩能量與結(jié)溫的關(guān)系（數(shù)據(jù)表摘錄 IPL60R185P7）。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
　　該圖顯示，在 110 °C 的結(jié)溫下，只剩下原始值 25 °C 的 10%，即僅剩下 5 mJ，而不是原來的 55 mJ。
　　遺憾的是，MOSFET 溫度只能在外殼外部測量并隨著時間的推移進行積分。事實上，芯片上的實際溫度隨開關(guān)頻率的脈沖取決于導(dǎo)通、導(dǎo)通、關(guān)斷損耗和瞬態(tài)熱阻。例如，這可以用 LT-Spice 進行模擬。因此，我們不知道當(dāng)過壓脈沖發(fā)生時芯片溫度到底有多高。無論如何，它都高于在外殼處測得的。當(dāng) MOSFET 阻塞時，結(jié)會冷卻下來。如果我們有零電壓開關(guān)，那么就沒有接通損耗。一旦電流流過，導(dǎo)通損耗就會隨電流 （I2x RDSon），芯片迅速升溫。關(guān)斷時有很大的關(guān)斷損耗，芯片變熱。這正是出現(xiàn)過壓峰值的時候，我們必須知道結(jié)溫才能讀出圖中仍然允許的雪崩能量。

　　根據(jù)其數(shù)據(jù)表，這款來自 Infineon 的功率 MOSFET 可以處理 53 A 的脈沖電流。因此，它可能不會只用 4 A 來運行。然而，根據(jù)圖下方左側(cè)的小字，雪崩能量被地指定為 4 A 的值（圖 4）。允許雪崩電流在數(shù)據(jù)表中也指定為 4 A（圖 5）。這意味著，如果我們想利用雪崩能量，我們不應(yīng)該以超過 4 A 的電流作 53 A MOSFET，這僅適用于 25 °C。

　　圖 5.額定值（數(shù)據(jù)表摘錄 IPL60R185P7）。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
　　在雪崩能量的情況下，我們已經(jīng)看到，在 110 °C 時，只允許 25 °C 值的 10%。遺憾的是，沒有圖表顯示雪崩電流與溫度的關(guān)系。我們只能希望 110 °C 時的降額不會像雪崩能量那樣達到 10 %;否則，只允許使用 400 mA。
　　MOSFET 制造商如何指定雪崩能量額定值？
　　讓我們以 Infineon 為例，看看幾乎所有 MOSFET 制造商是如何測量和確定雪崩能量的。測試前，MOSFET 通過線圈連接到 50 V，在 25 °C 下無應(yīng)力。 在實際電源單元中，MOSFET 在導(dǎo)通前為 300 V 至 400 V，在關(guān)斷狀態(tài)下為 500 V，因此您已經(jīng)有高達近 1 mA 的漏電流和相應(yīng)的損耗。此外，電源單元中的 MOSFET 會不斷以高頻開關(guān)電流，其溫度可能為 100°C 或更高。

　　然而，在測試中，MOSFET 只接通，并允許導(dǎo)通，直到達到規(guī)定的電流（例如 4 A）。測試電路（圖 6）類似于升壓轉(zhuǎn)換器，但沒有用于消磁電感的續(xù)流二極管。一旦 MOSFET 關(guān)閉，漏極電壓就會無限增加，并且僅被 MOSFET 箝位到高于允許反向電壓的 V（BR）DS 值。在測量突然限制振蕩的高原時，通?？梢钥吹竭@一點。在測試中，MOSFET 永遠保持關(guān)閉狀態(tài)，電壓為 50 V。

　　圖 6.雪崩能量測試的數(shù)據(jù)表摘錄。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　在 Infineon 關(guān)于雪崩能量主題的應(yīng)用說明中，您可以看到一個示波器圖（圖 7），其中顯示 MOSFET 導(dǎo)通時間為 40 μs（電流 ID 上升），消磁時間為 22 μs（電流 ID 下降）。因此，雪崩能量有 22 μs 的時間在芯片中分布。

　　圖 7.雪崩能量測試的數(shù)據(jù)表摘錄。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
　　在 Vishay 的應(yīng)用說明中，我讀到了另一個有趣的方面（圖 8）：“典型的現(xiàn)代功率 MOSFET 具有數(shù)百萬個相同的溝槽、單元或許多并聯(lián)的條帶，以形成一個器件......因此，為了實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計，雪崩電流必須在這些電池/條帶之間均勻共享。

　　典型的現(xiàn)代功率 MOSFET 具有數(shù)百萬個相同的溝槽、單元或許多并聯(lián)的條帶，以形成一個器件，如圖 7 所示。因此，為了實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計，雪崩電流必須在許多電池/條帶之間均勻共享。

　　在本 Vishay 應(yīng)用說明中，還有一個顯示電感退磁的示波圖;因此，過電壓持續(xù) 70 μs。
　　22 μs 或 70 μs 的持續(xù)時間無關(guān)緊要——電源中的過電壓持續(xù)時間很小，介于 5 ns 和 500 ns 之間。因此，雪崩電流必須在數(shù)據(jù)表中規(guī)定的百分之一到千分之一的時間內(nèi)均勻分布在數(shù)百萬個并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，以實現(xiàn)“穩(wěn)健設(shè)計”。這意味著芯片內(nèi)部的電阻器和電感起著重要作用。據(jù)我所知，MOSFET 制造商不會測試這種情況——如果他們不測試，他們也很有可能不會針對它優(yōu)化設(shè)計。
　　此外，無論是在啟動期間、電源中斷期間、電源浪涌電壓，還是在過載或短路的情況下，通常都會連續(xù)出現(xiàn)許多電壓峰值。在一些數(shù)據(jù)表中，重復(fù)值也可以與 Single Pulse Avalanche Energy 一起找到。對于 Infineon CoolMOS 器件（圖 5），重復(fù)值僅為單個脈沖的 5%，并且具有相同的不切實際的測試條件。
　　雪崩能量數(shù)據(jù)表通常將柵極電壓為零作為條件。仔細查看您的示波器測量結(jié)果：在漏極上的電壓峰值期間，由于米勒效應(yīng)和不完善的柵極驅(qū)動器電路，柵極電壓通常明顯為正，為 1 伏或更高。