電源應用中場效應晶體管的崩潰效應

　　就實際的考量而言 , 場效應晶體管的實際崩潰電壓一般是額定低電流崩潰電壓的 1.3 倍。以圖五為例 , 它所表示的是一個超過最大額定電壓但并未進入崩潰現象的波形 , Drain-Source 的電壓已達到 668V > 600V 但并未嵌制于崩潰效應。

　　但即使此不正常的峰值電壓并未觸發此組件崩潰 , 我們還是要去評估此場效應晶體管的接合面溫度必須低于額定最大溫度以確保其信賴度及可靠度。在穩態條件下 , 接合面溫度可由下式導出 :

　　Tj = PD x R θ jc + TC ---------- (1)

　　其中 Tj : 接合面溫度 TC : 外殼溫度 PD : 整體功率損耗 R θ jc : 穩態條件下 接合面傳導至外殼的熱阻

　　大多數的應用里 , 開關式電源供應線路皆把場效應晶體管當作開關使用。 因此 , 當一連串的脈沖開關場效應晶體管時 , 其功率消耗及接合面溫度的變化是取決于峰值功率以及脈沖寬度的大小。 此時的瞬時熱阻可基于時間的變化導出如下式 :

　　Z θ jc(t) = r(t) x R θ jc ---------- (2)

　　其中 r(t) 代表一個散熱能力的參數。當脈沖寬度非常短時 , r(t) 也相對很小。但當脈沖寬度很長時 , r(t) 會接近于 1, 此時瞬時的熱阻也會與穩態時一樣高。圖六所示是 Fairchild Semiconductor 所提供的瞬時熱阻參數曲線圖。從此圖中 , 在瞬時條件下其接合面溫度可導出如下式 :

　　Tj = PD x Z θ jc(t) + TC ---------- (3)

　　舉例說明 , 當一個 2KW 的電源脈沖加至 FQA11N90 的脈沖時間為 1uS 時 , 我們可依據圖六的曲線算出此脈沖功率對接合面所產生的溫升為

　　T = PD x Z θ jc(1uS) = 2000 x 1.49 x 10-3 » 3 ° C

　　此脈沖功率如此之大 , 但其所造成的上升溫度變化僅有 3 ° C 。但不要忘了 , 在規格書中所記載的額定消耗功率是以穩態條件下去推導出來的。 在瞬時條件下 , 像如此的脈沖可以讓場效應晶體管承受更大的功率損耗。

　　在上面的例子中 , 要在圖六里找出 1uS 的瞬時條件曲線是無法求出的。假使我們所得到的脈沖寬度太短而且超出此圖曲線范圍之外 , 我們已知單一脈沖的瞬時熱阻是與時間的均方根成正比。因此 Z θ jc(1uS) 可得到如下式 :

　　Z θ jc(1uS) = Z θ jc(10uS) x Ö 1uS/10uS = 4.72 x 10-3 x Ö 0.1 = 1.49 x 10-3

　　其中 Z θ jc(10uS) 可由圖六得知

　　上述的熱阻效應是由方波的基礎所求得 , 那我們可不可以針對不同的波形或形狀而得到熱阻的效應。然而可預知的 , 這需要非常復雜的計算及數學運算以求出所要的結果 , 最好還是由近似法以求得所要的熱阻效應。 圖七就舉了兩個例子以近似法來說明 , 一個是三角波 , 另外一個是正弦波。

　　在導出的公式 (3) 中 , 它也可以被應用在連續形式的脈沖當中。公式 (3) 可被修改如下以求得其瞬時熱阻 :

　　Z θ jc(t) = [t1/t2 + (1-t1/t2) x r(t1+t2) + r(t1) – r(t2)] R θ jc = t1/t2 R θ jc(1uS) + (1-t1/t2) Z θ jc(t1+t2) + Z θ jc(t1) - Z θ jc(t2) ----- (4)

　　其中 t1 : 連續脈波的脈波寬度 　　t2 : 連續脈波的總合時間

　　公式 (4) 適合于無限脈沖波之情況。當沖擊波是有限個數時，其 R θ jc(1uS) 應由 Z θ jc(T) 替換下來，其中 T 是有限沖擊波持續的時間。

　　假設一種情況 , 當一組開關電源線路在做短路測試時 , 其量測到的場效應晶體管的 Drain 及 Source 兩端電壓超過了其最大的額定電壓 , 而且持續了一段時間直到短路保護動作。此條件下的參數如下 : FQA9N90C 為其場效應晶體管 , 100nS tAV, 9.2uS 周期長度以及 20mS 延遲時間。在此條件下 , 其瞬時的熱阻計算如下

　　Z θ jc(t) = 0.01 x Z θ jc(20mS) + (1-0.01) Z θ jc(9.3uS) + Z θ jc(100nS) - Z θ jc(9.2uS) = 0.00274 ° C/W

　　我們假設有 5KW 的功率消耗 此時會消耗在場效應晶體管上 那么所得到的接合面溫度會上升如下

　　D T = 5000 x 0.00274 = 13.7 ° C

　　此 13.7 ° C 為崩潰時所產生的溫升變化 因此 設計者必須先計算出此場效應晶體管得正常工作接合面溫度 然后再加上因崩潰效應所上升的溫度 此溫度結果必須低于額定最大溫度 在加上一些安全余裕以達到可靠度及信賴度的要求。

　　5. 結論

　　設計者所經常面臨到的場效應晶體管的崩潰應用問題 希望可以經由上述崩潰效應模式的分析以及接合面溫度的計算提供給設計者更好的分析工具。