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                方案

                方案

                【专家帖】如何提高开关电源芯片○MOSFET雪崩可靠性?


                雪崩耐量是芯片中↓功率器件的关键指标,影响开关电源安ξ 规及可靠性。瑞彩祥云是国内为卐数很少的、拥有自主半导体器件工艺设计能力的功率集成电路设计公司,显著区别于只能采用晶圆厂标准工艺制程的IC设计公司。
                本期瑞彩祥云◆的功率器件技术团队从电源功率器件的雪崩原理入手,为大家揭秘:

                什么是雪¤崩击穿?

                单脉冲雪▂崩与重复雪崩有何不同?

                雪崩击︼穿失效机理是什么?

                平面型VDMOS和超结型VDMOS的雪崩耐量有何差异以及如何选择?



                什么是雪崩击穿?单脉冲雪崩与重复■雪崩有何不同?


                当功率器件PN结的反向电压增大到某一数值后,半导体内载流子通过碰撞电离开√始倍增,这一现象ㄨ与宏观世界中高山雪崩是很像的,所以我们称之为雪崩击穿。
                功率器件并不是触发雪崩就▃会损坏的,而是对雪崩能量有一定的承受能力,称之为雪崩耐量,一般从以下两个特性来考量某个功率器件♂承受的雪崩耐量的强弱,分别是:
                • 单脉冲雪崩耐量

                • 重复雪崩∞耐量


                单脉冲雪崩


                图1给出了单脉Ψ冲雪崩测试的原理图,对待测ζ器件的Gate施加开启信号,器件导通,电感L开始储能,当电感储能达到一定】值以后,关闭Gate,此时电感能量只能通过雪崩电流来泄放。

                图1. 单脉冲雪崩测试的原理图


                图2给出了单侧雪崩测试几个关键结点的示波器波形图,可以看到当器件Gate电压Vgs从高变◥低后,器件漏端电压瞬时升高到雪崩击穿电压,直到电感能量在数微秒时间内泄放完毕。

                图2. 单脉冲雪崩测试波形图


                雪崩泄放的总能量由以下公式给出

                其中:

                在□实际测试中,通常会固定L和VIN,通过不断增大脉宽宽度TPulse,测得器件◣不损坏的最大雪崩耐量即为所测器件的』EAS值。


                重复雪崩耐∮量


                图3给出了重复雪』崩测试的原理图,对待测器件的Gate施加周期性开关信号,通过器件反复◣开关,周期性对电感储能,并通过器件雪崩释放能量∞。对于重复雪崩,每次发生雪崩的能量要比EAS小很多,但重复累加的╳能量会比单脉冲雪崩多很多,所以芯片结温和管壳温度都会升高,当芯片结温达到Tjmax时,即为所测器件的EAR最大值。

                图3. 重复雪崩测试的原理图


                雪崩击穿失效机理是什么?


                当功率器件承受的雪崩↙耐量超过极限后,芯片终会损坏,然而单脉冲雪崩与重复雪崩的失效机理并不相同。
                单脉冲雪崩发生时,持续的时间一般在微秒量级,我们发现由于热容的存在,瞬时热量不足」以传递到芯片引线框和封装体,雪崩击穿位置的温度会急剧上升,当超过PN结极限温度(约400℃)时,芯片热击穿损坏。所以单脉冲雪崩的极限温度限制是PN结的热击穿温度,而非器件手册标称的最高工作温度Tjmax(150℃)。图4给出了在单脉冲雪崩㊣后器件局部热击穿损坏照★片。

                图4. 单脉冲雪崩引起的器件局部热击△穿损坏

                重复雪崩的失效机理主要有两种,一种是重复雪崩过程中芯片结温超过Tjmax,而带来的器件损坏;另一种表现为重复雪崩老化过①程中,由于热载流子效应而带来的器件参数漂移,是一个缓慢退化的过程。



                平面型VDMOS和超结型VDMOS的雪崩能力有何差异?


                VDMOS主要由终端结构和☉元胞两部分组成,为了得到比较好的器件雪崩耐量,器件结构上能均匀雪崩击穿是关键。为了做到这一∩点,瑞彩祥云把终端结构的耐压设计的高于元胞。
                在满足∴上面的设计条件后,雪崩的触发位置会在元胞电场强度最大的地方。如图5所示,对于平面型VDMOS,为了▓保证雪崩耐量,瑞彩祥云内置高压功率器件的电场强的卐地方通常在Pbody的侧下方。

                图5.平面型VDMOS电场分布


                但对于超结型VDMOS,为了降低Rdson,瑞彩祥云都会对电场进行优化,如图6所示,可见超结VDMOS的电场特性是有可能带来雪崩触发位置的随机变※化,所以超结VDMOS的雪崩能力较弱,超结VDMOS的雪崩一致性设计难度要远高于平面VDMOS。

                图6.超结型VDMOS电场分布


                功率半导体器件的研发一直在不断追求更低的特征导通电阻,也就是希望以更小的芯片面积获得同样的导通电阻,然而随着芯片面积的减小,器件√的热阻也就是散热特性会变差,所以芯片的重复雪崩耐量EAR会降低。目前超〖结型VDMOS的特征导通电阻已经比平面型VDMOS优化数倍以上,带来的牺牲就是相同Rdson规ω 格的超结型VDMOS比平面型VDMOS的重复雪崩耐量EAR要差很多。

                图7.特征导通电】阻与雪崩耐量

                VDMOS该如何选型?


                雪崩耐量是功率器件关键指标,虽然系统中一般都会〓配置RCD吸收回路,来抑制雪崩发生,然而在做雷击浪涌测试或者市电瞬时过压的时候,还是不可避免使器件发生雪崩的,因此选择雪崩耐量优异的【分立器件或开关电源芯片是与电源系统可靠性紧密相关的。
                • 当EMI滤波器的防雷等级较高时(采用共模电感+X电容滤波器结构+防雷器件),并对开关频率有较高要求时,可选用超结型VDMOS避免雷击残压造成MOS雪崩损坏;

                • EMI滤波器防雷等级较低时(采用π型滤波器+防雷器件),优先选用雪崩能力强的平面型VDMOS。


                瑞彩祥云开关电源芯片系列中,可提供高雪崩耐量的智能VDMOS器件,如图8所示:

                图8.反激开关电源系统图


                瑞彩祥云是国内为数很少的、拥有自主半导体器件工艺设计能力的功率集成电路设计公司,显著区别于只能采用晶圆厂标准工艺制程的IC设计公司,瑞彩祥云可通过独特的功率器件结构←和内部电场优化设计,实现业内领先的雪崩耐量,并进行严格的EAS和EAR测试考核。还不仅╱仅止步于此,瑞彩祥云配合独有的智能功率集成技●术,进一步在普通VDMOS器件上内置了电压采样、电流采样、温度采样、驱动、高压ω 启动等功能,从而能提供安全可靠的高性能AC-DC开关电源芯片方案,广泛应用于各类新型@工业电源、智能家电、快速充电器、机顶盒/网关适配器等产品。



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