在 SMPS(Switching Mode POWER Supply) 以及 DC-DC 转换器设计中 , 使用场效应晶体管当作切换开关已经越来越普遍。在设计中为了减少尺寸大小和提升电源密度 , 其电源操作工作频率也要求越来越高。如此会造成较高的 di/dt 产生使得杂散电感效应加诸于场效应晶体管两端 (Drain & Source) 的瞬间电压会更加明显。尤其在电源开机的霎那间 , 此瞬间电压会达到最大值。这是由于变压器一次侧电感值相当于漏电感 ( 最小电感值 ) 而且输出电容完全未充电的状态所致。幸运的是一般场效应晶体管皆可承受高于某些程度的额定电压范围 , 在此条件范围内设计者并不需要增加额外的保护线路以避免不必要的成本支出。此篇文章可带领各位去判断何种条件下对场效应晶体管所造成的影响 , 进而帮助设计者去衡量成本及可靠度以取得最佳的平衡点。

1. 评估方式 :

单一脉冲 UIS(Unclamped Inductive Switching) 的安全工作范围

一般评估场效应晶体管的崩溃效应皆以单一脉冲 UIS 为基准。如图一所示。此方式简单的定义了几个针对被测试组件的基本参数。例如在崩溃时间内所流经场效应晶体管的最大峰值电流 (IAS), 在 UIS 开始前的起始接合面温度 (Tj), 以及崩溃时所经过的时间 tAV 。 将 IAS 及 tAV 所对应出来的图表曲线可提供使用者了解此组件针对 UIS 的表现能力 , 而提供一个客观且公正的衡量依据。

2.过电压产生的条件:

在应用上 , 过电压产生的条件可分成下列两种。 一种是超过场效应晶体管的最大额定电压 , 但是并没有造成崩溃现象发生。此现象可以藉由计算场效应晶体管接合面的温度去判断组件的操作能力。另外一种是指已达到崩溃的标准 , 并且崩溃已经发生 , 这个时候 UIS 的*估方式可提供分析此种现象的最佳工具。

3. 崩溃模式的分析:

当场效应晶体管进入崩溃效应时 Drain 及 Source 电压会被嵌制在其崩溃电压 , 而电流会经由寄生的二极管而产生逆向操作电流的现象。如图二所示为一典型开关式电源电路所量测到的崩溃现象。从图中可看出 Drain 及 Source 的电压 (CH3) 被箝制在 1KV 而且逆向电流 (CH4) 可清楚地被发现。

UIS 的*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*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。