瑶芯技术分享 | 功率MOSFET雪崩特性

于 2024-08-21 16:36:25 发布
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前言

MOSFET的雪崩主要涉及在特定条件下（如高电压或大电流）‌，‌其内部通过碰撞电离产生更多的电子-空穴对，导致电流急剧增加，对器件的性能造成影响。‌雪崩特性是MOSFET在设计和应用中需要考虑的重要参数，‌因为它直接关系到器件的安全运行和可靠性。‌

雪崩定义

MOSFET 雪崩是指当 MOSFET 上所承受的电压超过其击穿电压时，在强电场作用下，载流子（电子和空穴）获得足够高的能量，通过碰撞电离产生新的电子 - 空穴对，形成连锁反应，导致电流急剧增大的现象。该现象类似于雪崩，初始的少量载流子在强电场中迅速引发大量载流子的产生和流动，从而可能造成 MOSFET 器件的损坏，影响其正常工作和性能。

雪崩电流和雪崩能量

MOSFET的雪崩特性包括雪崩电流（‌IAS和IAR）‌和雪崩能量（‌EAS和EAR）

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LLC谐振变换器详解（六）| LLC等效回路分析
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但是此时从电路的原理上是无法对R的其他值进行判断的，需要通过公式的方法来判断，可以利用前面讲的虚数，只要求出谐振回路中的电流的复数形式，即。，相当于短路Lm，等效图如图4所示，此时fr1是边界线，输入频率在fr2-fr1之间的时候，就是容性区域，大于fr1的时候就是感性区域。，所以从输入端看阻抗呈感性，谐振电路工作在我们所希望的感性状态下，该频率下，输出负载（R）与增益无关。反过来，当输入的频率在fr1右边时，Lr的感抗就比Cr的容抗大了，所以大于fr1的频率就是。，连接负载的支路相当于开路，如图3所示。
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LLC谐振变换器详解（五）| RLC回路频域分析
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根据谐振回路里面的品质因数Q的计算公式，当L与C设定好后，R越大，说明输出电压越大。的时候，容抗会变大，而感抗会变小，整个回路呈容性，回路可以等效成电感C与R的串联, 如图5所示。因此，Q的大小代表了输出负载的轻重，Q大负载重，Q小负载就小。容抗与纯电阻向量相加，根据平行四边形法则，箭头指的就是最后的阻抗在Y轴的负半轴，所以整个回路的阻抗是。频率越大的时候，感抗就越大，而R不变，根据分压原理，UL越大，UR越小。这个频率的时候，感抗会变大，而容抗会变小，整个回路呈感性，回路可以。
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LLC谐振变换器详解（四）| 谐振电路基础
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根据电感的特性， U=L*di/dt，di是电感上面变化的电流，dt是变化的时间。如果输入是一个纯正弦输入的电压，那么电流与电压有一个90°的相位差，如图2所示，电流在过0的时候是整个正弦中变化斜率最大的，而电流在最顶峰时变化斜率为0。所以对于电感而言，电流是滞后电压90°的。当X=0时，即XL的大小与XC的大小相等，因为感抗与容抗的相位相差180°——呈反相关系，所以电路的电抗X=0。如图3所示，在直角坐标系中，1Ω与j1Ω相差90°，1Ω是纯阻，而j1是超前90°，所以j100是在Y轴的正半轴。
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图4为LLC拓扑等效电路模型，也即把前面的方波发生器看成一个简单的方波电源，把变压器去掉，仅保留其电感，通过简单的折算关系将变换器后半部分等效成一个电阻Ro。等优点，但是其效率没有分立的高，且由于制造工艺的差异，集成变压器漏感的差异也较大，难以精准把控。Cr是谐振电容，谐振电容是与Lr一起起到谐振作用的需要用专业的变压器骨架来绕制的Lm是变压器原边电感，也叫。，半桥开关是由MOSFET Q1和Q2组成的，Ds1和Ds2为MOSFET寄生的体二极管，Cds1和Cds2为其寄生电容。
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为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使得开关器件在零电压或者零电流条件下开通或者关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。此时时电路的阻抗为最小值R，此时电路总电压主要加在电阻上，电流达到最大值，电路呈现纯电阻性，电流与电压同相位。由于谐振腔是不参与功率转换的，其阻抗很高的话，则谐振腔里的能量更高，这部分能量纯粹在做环流交换（返回到输入端，无功），而且增加了MOSFET的电流应力。,发生谐振时电路的导纳最小，等效阻抗最大，在激励电流一定时，电压的有效值最大。
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LLC谐振变换器详解（一）| 谐振变换器介绍
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在开关管关断前，通过控制策略使流过开关管的电流逐渐减小至零，然后在电流为零的时刻施加关断信号，此时开关管以极小的损耗关断。在开通时，也是确保电流为零的时刻进行开通操作，这样可以减少开通时的电流冲击。近年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的性能不断提升，以及平板电视等电子设备对高效、小型化电源的需求急剧增加，LLC谐振变换器才开始受到广泛关注，并逐渐成为一种主流的拓扑结构。，通过谐振电路或其他控制手段，使开关管两端的电压谐振到零，然后在电压为零的时刻施加导通信号，此时开关管以极小的损耗开通。
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瑶芯技术分享 | 三相维也纳PFC功率器件损耗分析
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电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过二极管Da1流到直流侧电容C1，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(a)所示。电流的流通路径为：从A相电网正极流出，经过电感La，再经过开关管Sa1和开关管Sa2的反向二极管流到直流侧中点N，最终通过另外两相回到A相电网，具体流通路径如图2(b)所示。通态损耗的产生是由电流正向流经IGBT 或者FRD上产生一定的压降，损耗就是正向电流和器件两端正向压降的乘积，开关损耗和反向恢复损耗则是跟开关过程中的直流电压和开关电流有关。
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瑶芯产品介绍 | 第三代 T系列IGBT ，大幅提高家电和工业设备效率
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即上管打开时，下管的Vce会突然上升，从而因米勒电荷Qgc充电，带动Vge突然上升，超过Vth时IGBT就会逐渐打开。在一定短路能力的前提下，650V 75A S3 T系列单管的性能得到进一步提高，使系统具有。在家电中应用越来越广泛，同时工业设备的大型电源也需要降低功耗，因此对高效开关器件的需求也在不断增长。虽然这种解决方案会导致IGBT在开关过程中的损耗增加，但由于此类开关频率低，增加的损耗并不高。，这与大多数电机应用相匹配，且相较于650V 75A S3 H系列单管，该产品的Vcesat。
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瑶芯新一代1200V G4.5碳化硅MOSFET，持续赋能新能源产业高速发展
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1200V G4.5平台产品在各个温度工况下，导通电阻均低于G4平台同规格产品，在常温状态下导通电阻下降了9%，在175℃高温状态下，电阻下降了3%，导通电阻值降低意味着器件的静态功耗会更小，可选择的功率应用范围更广。在实际应用中，功率器件的导通电阻并非一成不变，通常规格书中器件导通电阻典型值指的是常温状态下器件的导通电阻，而在大功率应用场合，器件通常会工作在更高的结温下，因此，需要知道器件在高温下的导通电阻表现。图3 AKS SiC MOSFETs 归一化FOM：G4 vs. G4.5 vs. G5。
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此外，采用Toll封装的新一代SJ MOSFET，通过额外的开尔文连接，不仅优化了外围电路的设计，而且不受源级寄生杂感的影响，减小了栅极振铃以及避免了环路相互干扰的问题，进一步提升了产品的稳定性。为代表的SJ MOSFET，相比上一代栅电荷（QG）下降了20％，Coss减小了40%，关断时间（TOFF）减少了60％，大幅减小寄生参数带来的损耗，提升系统效率。，使得在较小的TOLL封装里能容纳更小的电阻规格，满足应用设计人员对更高功率密度的需求，并且实现了优异的电学性能。系列的SJ MOSFET。
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主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。，在电流逐渐减小时，VDS电压也趋近与0，并触发Vth_off，同样经过Turn-off delay时间后再关闭驱动信号，电流走体二极管，VDS电压再次负向跳变，最后零电流关断。，把检测到的超前的电压再延迟一段时间。
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瑶芯技术分享 | MOSFET开关过程详解
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主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。随着Vds电压不断的降低，Vgd的电压绝对值也不断的降低， Vgd的电压由负变为0，然后开始正向增加。米勒平台电压，由系统的。，是MOSFET的重要参数之一，一般简单标记为Vth，定义为可以在源极和漏极之间形成导电沟道的最小栅极偏压。
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瑶芯技术分享 | 反激式同步整流效率影响分析
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主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。感应出电压使得电流从次级绕组流出时，同步整流 MOSFET 的驱动电路会控制 MOSFET 导通，此时电流通过 MOSFET 流通，由于 MOSFET 的导通电阻很小，从而大大降低了导通损耗，提高了电源的效率，如图2所示。
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采用全新的TO-247Plus-4L封装，爬电距离满足2600V 电气应力，在高压应用中，能够显著提高系统的效率，减少能源的浪费，为节能减排事业贡献力量。来自瑶芯微最新的30V SGT MOSFET平台，采用先进的PDFN5x6封装，拥有极低的导通电阻RDS(ON)，能够显著降低导通损耗，适用于紧凑设计和高密度的应用场景。中，用于列车的牵引系统，能够实现更高的功率密度和更小的体积，同时提高运行的可靠性和稳定性。此外，低开关损耗的特性使得充电桩在工作时发热更少，稳定性更高，延长了充电桩的使用寿命。
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基于以上应用特点，瑶芯微推出了无人机专用MOSFET，采用屏蔽栅沟槽MOSFET AK1G4N013G-T，该器件Rds_on 最大1.3 mOhm，电压40V，DFN5X6封装，且具备超大电流关断能力，抗雪崩能力强等特点。该器件具备大电流快速关断能力，同样使用双脉冲测试在Rg=0Ω，L=6uH下测试，大电流快速关断工作波形如图3所示，MOSFET在关断时电流达777A，器件在超大di/dt下仍然快速关断，关断过程中工作在线性区。无人机电调中的MOSFET管，在续航提升、电调性能等方面发挥着关键作用。
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电感续流如图6所示，将Q1与Q2都截止，此时电流会通过Q5和Q4的体二极管续流，并且电流是通过输入电源形成回路的，此时对输入电源进行充电，因为W端出来，经过Q5的体二极管D5，有一个0.7V的压降，然后连接输入电源，所以W端是E+0.7V。但是，有的时候并不希望电机绕组在续流器件仍然有很大的电流，如主流新能源汽车都带有能量回收功能，也就是在刹车的时候，需要电机绕组上的电流在很短的时间内降为0，这个时候就需要快续流了，让电流的变化速度快，电流能够在短时间内变成0，能量回馈至输入电源端。
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