电源应用中MOSFET的崩溃效应

    UIS 的评估方式是针对崩溃现象分析的一种很有用的方法。在图三 UIS 安全工作区域中可区分为三大区域 (1) 大于 25 ° C 线或者是图中靠右的区域 , (2) 低于 150 ° C 线或者是图中靠左的区域 , (3) 介于 (1) 与 (2) 的区域。其中 (1) 可清楚地了解此组件工作超出额定工作范围之外 (2) 则是位于额定工作范围之内。至于 (3) 的区域界定 我们需要得到此组件的起始 UIS 接合面温度以决定其工作能力。稍后会在后面举例说明如何求出此接合面温度。
    UIS 的评估方式并不限于应用在单一脉冲上 , 针对连续性脉冲的应用上亦可藉由重叠定理 (Super-position) 来做分析。在连续性脉冲里 ,
每一个脉冲皆可视为一个单一脉冲的 UIS 应用 。通常最后一个连续脉冲的发生皆是接合面温度最高的时候。而这时候也是条件最严苛的情况。假使我们可以证明场效应晶体管最后一个连续脉冲的结果可以符合 UIS 的安全工作区域之内 , 那么之前所经过的脉冲一定也在 UIS 的安全工作区域内。因为之前的接合面温度一定比最后一个连续脉冲的接合面温度低。
4. 接合面温度分析
    一般而言 假使 Drain 及 Source 电压超过规格书所载明的最大额定电压稍大一些 , 此时要让场效应晶体管产生崩溃现象其实是不常发生的。图四所表示的曲线为场效应晶体管的额定最大工作电压 (BVDSS) vs 接合面温度 (Tj), 其特性的表示是以正温度特性变化 。当接合面温度达到 120 ° C 时 , BVDSS 可达到将近 990V 。由此可知 , 在更高的接合面温度条件下 , 场效应晶体管需要更高的 Drain 对 Source 的电压以达到崩溃效应产生的必要条件。
    但这里必须提醒一件事 , 图四所标示的 BVDSS 是基于 250uA 的 ID 电流为条件所定义。在实际崩溃发生时 ID 电流远大于 uA 的范围。 因此 , 所欲达到的崩溃电压也会比上述图四中所推导的电压要来的大的多。
    就实际的考量而言 , 场效应晶体管的实际崩溃电压一般是额定低电流崩溃电压的 1.3 倍。以图五为例 , 它所表示的是一个超过最大额定电压但并未进入崩溃现象的波形 , Drain-Source 的电压已达到 668V > 600V 但并未嵌制于崩溃效应。
    但即使此不正常的峰值电压并未触发此组件崩溃 , 我们还是要去评估此场效应晶体管的接合面温度必须低于额定最大温度以确保其信赖度及可靠度。在稳态条件下 , 接合面温度可由下式导出 :
Tj = PD x R θ jc + TC ---------- (1)
其中 Tj : 接合面温度
TC : 外壳温度
PD : 整体功率损耗
R θ jc : 稳态条件下 接合面传导至外壳的热阻
    大多数的应用里 , 开关式电源供应线路皆把场效应晶体管当作开关使用。 因此 , 当一连串的脉冲开关场效应晶体管时 , 其功率消耗及接合面温度的变化是取决于峰值功率以及脉冲宽度的大小。 此时的瞬时热阻可基于时间的变化导出如下式 :
Z θ jc(t) = r(t) x R θ jc ---------- (2)