功率器件的雪崩应用与分析

功率器件作为电力电子装置的核心器件，其在设计使用过程中的鲁棒性能一直是工程师关心的问题，雪崩能力其中一个很重要的指标，如何理解雪崩，单次雪崩和重复雪崩是如何定义的，以及雪崩会带来哪些危害，在设计过程中工程师应该如何考量，相信看完本文，你一定会对这些有更深层次的理解。

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什么是雪崩

雪崩是一种链式反应，其中电子在电场下被加速到足以电离电子碰撞的原子，从而释放更多电子以产生进一步的碰撞电离。如下图所示，在电场作用下，一个产生两个，两个产生四个…… 这样进一步会产生更多的电子碰撞形成雪崩。仔细观察这个雪崩原理和核裂变的原理非常相近，都是相互碰撞从而产生更多的电子（核裂变是中子）参与此过程。

功率器件的雪崩性能通常用非钳位感性负载开关（UIS, 英文全称为Unclamped Inductive Switching）测试电路测量得到，如下图所示。当栅极施加开通信号时，管子打开，电感电流稳步上升，当关闭管子时，由于电感电流不能瞬间突变，电流会持续的流过管子并且造成管子两端的电压急速上升，这个电压一般被钳位在管子的击穿电压直至电流降为零，由于在此阶段内，管子同时经过高电压和大电流，瞬间功耗极大，极易引起管子失效。

这个击穿电压一般为管子耐压值的1.1倍至1.3倍，为什么这个击穿电压是浮动的呢，这是因为管子所处的温度可能不同，一般温度越高，相应的击穿电压也就越高，所以很多时候我们在很多规格书中看到的雪崩能量E(AL)是基于1.3倍的耐压值进行计算的。

UIS能力是衡量功率器件可靠性的重要指标，通常用E(AL)S（单脉冲雪崩能量）和E(AL)R（重复雪崩能量）来衡量器件的雪崩能力。那么如何计算雪崩能量呢，雪崩能量即是在这次雪崩事件中瞬时功率和时间的乘积，即

那么发生了雪崩，管子会不会损坏呢？雪崩是否会损坏器件，这主要取决于它的瞬态结温能否超过Tjmax。在雪崩期间，它的电流和电压都很高，所以它的瞬态功率是非常大的。下图为管子整个雪崩期间的瞬态结温，如果它的结温超过了管子所允许的最大结温（一般是175C），那是很有可能损坏管子的，此处说是有可能而不是绝对，这是因为有时候即使超过Tjmax, 管子不会立即损坏，仍然能正常工作，但是长期运行会影响寿命，管子特性会发生改变（后面会详细讲述），出于功能和可靠性的原因，厂家是不允许超过规格书中标注的温度。

那么判断它对的结温是否满足规格书的要求呢，即如何计算Tjmax，瞬态结温是瞬态功率和瞬态热阻的乘积，此处，从上图可以看出一般在（t(AV)/2）的时候温度最高，这是热阻的RC特性以及瞬态功率为三角形的原因导致的。具体公式如下，其中Tj为管子在雪崩之前的温度。

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如何辨别单次雪崩和重复雪崩

如何辨别单次雪崩和重复雪崩是一个非常重要的问题，从雪崩的次数，从雪崩的时间长度，周期，温度变化等来判断，似乎都不是，这些条件都比较片面，比如说有时雪崩后面会带有一些震荡，所以如何判断呢？

单次雪崩是发生在在正常应用中的一种错误工况，随机发生，所以这种工况有可能会引起管子失效，并且这种工况发生的频率很低，上图为单一雪崩时管子结温的波形曲线。

重复雪崩是人为的已经被设计在应用中，并且会在某个或者多个周期内定期进入雪崩状态。比如一些电机应用中的快速放电电路，有些方案选择用功率器件的重复雪崩来快速放电。上图为重复雪崩时管子结温的波形曲线。

简单来说，辨别单一雪崩和重复雪崩主要是看这个雪崩事件是否是人为故意引入的。一个已经被考虑在设计里并且在某种情况下会工作于此状态（重复雪崩），发生的概率较大，雪崩的能量较低，可控。一个是随机发生，再设计中并未被考虑进去，发生的概率较低，但雪崩的能量或非常大。

重复雪崩看起来是对单次雪崩事件的重复，两者看起来非常相似，但背后的逻辑却差别很大，尤其是系统的稳定和最大结温，这会影响工程师在设计时的散热和选型。

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如何判断是否满足规格书

如上文所说，如果功率器件的单次雪崩瞬态结温超过了规格书所允许的最大结温，则器件可能会出现永久性的损坏，那么如何辨别实际应用中的雪崩是规格书中所允许的呢，下面以英飞凌的ISC011N06LM5为例，来详细分析下雪崩曲线。

上图为其雪崩特征曲线图，25C结温曲线显示了在初始Tj为25C时，给定tav的最大允许I(AL)，此时最大I(AL)导致的最大允许结温Tj(max)为175C，这意味着允许的温升为150C。特征曲线下的面积是允许的安全操作面积（SOAR），同样的，100C（和150C）的结温曲线是初始结温Tj为100C(150C)的最大允许的雪崩能力，允许的温升为75C(和25C)。

此处需要注意的是一般我们上图三个曲线（25C，100C，150C）的雪崩特征认为是单次雪崩，很多厂家并不会标出重复雪崩能力有关的问题，这主要是由于此类问题的复杂性以及难以识别设备中潜在的物理退化问题。由于重复雪崩的磨损及创伤性质，长期重复的雪崩操作是及其危险的。

那么如何判断实际的雪崩应用是否超过规格书的要求呢，下面以ISC011N06LM5为例，通过一个简单的工况来详细解释。

工况为：L=2mH，I(AL)=20A，V(BR)DSS=60V，VDD=0V。

根据上述的工况，结合1部分中提供的公式，可以计算出tAL等于0.5ms, 可以看出操作点在25C和100C曲线中间，这看起来操作条件有可能是可行的。下一步需要计算瞬态结温，从规格书中我们可以查出Zth(0.25ms)约为0.09K/W，根据1部分提供的公式，可以计算出瞬态的温升为94C，所以如果在进行雪崩之前的温度Tj能够小于81C，则此工况是满足规格书要求的。

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雪崩对器件的影响

雪崩究竟对器件有何影响呢，除了上文提到的不管是单次雪崩还是重复雪崩如果超过了Tjmax有可能会导致器件损坏，那么如果满足Tjmax，雪崩到底会不会影响器件的功能呢？

答案是肯定的，对管子来说雪崩绝对算是损伤或是磨损，或大或小，或明显或不明显，但是如果雪崩次数够多，管子的性能将会逐渐发生变化，这也是为什么最近这些年一些大厂的规格书会根据不同的工况提供脉冲次数的限制。

上图是实验室重复雪崩的一些测试结果，随着雪崩次数的增多，阈值（Vth）在降低，Rdson在升高。

怎么理解这一现象呢，下图为当前主流的单沟槽结构和双沟槽结构（目前主要是沟槽型，平面型的雪崩能力要强很多），在雪崩过程中，由于功率器件的结构栅极附近的电场较为集中，通过的电子相对较多。对于雪崩，其是一种链式反应，相互碰撞从而释放更多电子进一步碰撞电离。在这个过程中难免会有一些会误撞损伤了栅极氧化层，降低了栅极绝缘性，Vth降低。另外在雪崩碰撞的过程中，不可避免的会导致一些晶胞损坏掉，从而增大了Rdson。所以工程师在设计产品的时候必须要考虑雪崩所带来的一些负面效果，尤其是一些并联设计等等。

基于以上的分析，目前有些厂家已经专门提供了可以承受更大雪崩能量以及更多的雪崩次数的管子，主要是对沟槽型栅极附近的更改。但是要记住，任何事情都是公平的，没有无缘无故的好，也没有无缘无故的坏。雪崩能力的提升带来的是Rdson的增加以及开关损耗的增加，这会对工程师的热设计带来挑战，所以工程师再设计的时候要分析清什么才是我们所需要的。