开关晶体管上的过压是常见的故障原因。尽管今天的 MOSFET 比早期的双极晶体管要坚固得多，但这一点在过去 25 年里没有改变。许多 MOSFET 都有雪崩能量额定值。如果发生过压，它们不会立即失效，但必须首先超过指定的能量，然后才会触发雪崩效应。
对于许多开关电源开发人员来说，这似乎是一个很棒的功能，因为他们不再需要如此密切地关注电压峰值。无论是在电源电压下、启动期间还是发生短路时，如果过电压的能量明显低于数据表中指定的值，您就可以放心地继续操作。这可能是一个致命的错误。
过电压从何而来？
罪魁祸首很明显且易于识别：它是寄生电感 L Leakage，在传输期间它不会通过续流二极管 D2 消磁。存储在其中的能量（1/2 L泄漏I 2）被转移到现有的寄生电容并在那里产生过电压（1/2 Cparasitic V2）。如果没有寄生电容，电压将升至无穷大。反激式转换器中产生的 MOSFET 电压（图 1），因为过压叠加在肩压上。
图 1. 具有漏感和 RCD 缓冲网络的反激式转换器原理。图片由博多电力系统提供
由于变压器中的气隙和位于次级侧的续流二极管，这种拓扑的漏感非常高。开关晶体管的结电容较低，导致过压峰值较高（图 2）。然而，无论采用何种拓扑，由于引线和过孔，总会存在一些漏感。
图 2. 反激式转换器开关晶体管的典型漏极电压曲线。图片由博多电力系统提供
如何正确测量过电压？
正确测量该过压峰值很困难，因为它会受到探头电容的影响而降低。此外，峰值有时只有几纳秒长，整个探头和示波器系统的性能（带宽、分辨率、存储深度）往往不足。有趣的是，三位不同的工程师使用自己的设备在同一电源上进行的测量得出的漏极电压值在 710 V 和 850 V 之间。对于 750 V MOSFET，这可能是生与死的区别。
您需要缓冲网络吗？
我们仅在室温下测量电源样品。过压峰值取决于寄生元件的特性，其值的规定不明确，并且具有很大的容差并且与温度有关。因此，建议在开关晶体管上安装缓冲器，以减轻产量波动。对于反激式转换器，我认为经典的 RCD 缓冲器（图 1）是可靠性方面的解决方案。电容吸收漏感的能量，电阻将其放电以供下一个周期使用，二极管确保充电方向的低阻抗电路，并在放电方向将电阻带入电路，以限度地减少开关晶体管的损耗当它打开时。这意味着缓冲二极管充当漏感的续流二极管，因此应尽可能靠近 MOSFET 的漏极。或者，您可以使用单个电容器、RC 元件或坚固的 TVS 二极管来吸收电压尖峰。不幸的是，缓冲器需要花费金钱和空间并增加功率损耗。
雪崩能量和雪崩电流对 MOSFET 意味着什么？
如果半导体中发生过电压，个电子就会从其键中被击出，从而击出更多的电子。这会导致雪崩效应，从而损坏组件。对于 具有雪崩能量额定值的 MOSFET，在触发雪崩效应之前必须首先超过一定的能量阈值。该能量在 MOSFET 的数据表中指定。
对于 ST45N65，结温为 25 °C 时，雪崩能量额定值恰好为 810mJ（图 3）。当然，这个值完全无关紧要。哪个开关晶体管在 25 °C 下工作？ 110 °C 时的雪崩能量更为相关。了解这一点很重要，但数据表中未指定。
图 3. STF45N65 数据表摘录。图片由博多电力系统提供 [PDF]
ST 的这款 MOSFET 可以产生 140 A 的脉冲，但雪崩电流指定为 9 A（图 3）。主电感和漏感中的电流相同，关断后继续流入MOSFET。谁在 9 A 电流下操作 140 A MOSFET？
英飞凌对此做了更好的说明。在 IPL60R185P7 的 600 V CoolMOS 数据表中，雪崩能量被指定为温度的函数（图 4）。
图 4. 雪崩能量与结温的函数关系（数据表摘录 IPL60R185P7）。图片由博多电力系统提供 [PDF]
该图显示，在结温为 110 °C 时，仅保留原始值 25 °C 的 10%，即仅保留 5 mJ，而不是原来的 55 mJ。
遗憾的是，MOSFET 温度只能在外壳外部进行测量并随时间进行积分。事实上，芯片上的实际温度随开关频率的变化取决于接通、传导、关断损耗和瞬态热阻抗。例如，这可以使用 LT-Spice 进行模拟。因此，我们无法确切知道过压脉冲发生时芯片温度有多高。无论如何，它都高于在外壳处测量的值。当 MOSFET 截止时，结会冷却。如果我们有零电压开关，那么就没有开关损耗。一旦有电流流动，传导损耗就会随电流 (I 2 x R DSon ) 呈二次方增加，并且芯片会迅速升温。关断时关断损耗较大，芯片发热。这正是过压峰值发生的时间，也是我们必须知道结温以读出图中仍然允许的雪崩能量的时间。
根据其数据表，英飞凌的这款功率 MOSFET 可以处理 53 A 的脉冲电流。因此，它可能无法仅以 4 A 的电流运行。但是，根据图下方左侧的小字，雪崩能量为指定为 4 A 值（图 4）。数据表中还指定允许雪崩电流为 4 A（图 5）。这意味着，如果我们想利用雪崩能量，则不应以超过 4 A 的电流操作 53 A MOSFET，雪崩能量仅适用于 25 °C。
图 5. 额定值（数据表摘录 IPL60R185P7）。图片由博多电力系统提供
就雪崩能量而言，我们发现在 110 °C 时，只允许 25 °C 值的 10%。不幸的是，没有图表显示雪崩电流与温度的函数关系。我们只能希望 110°C 时的降额不是 10%，就像雪崩能量那样；否则，仅允许 400 mA。
MOSFET 制造商如何指定雪崩能量额定值？
让我们以英飞凌为例，看看几乎所有 MOSFET 制造商如何测量和确定雪崩能量。测试前，MOSFET 通过线圈连接至 50 V，且在 25 °C 下无应力。在实际电源单元中，MOSFET 在开启前处于 300 V 至 400 V 电压，在关闭状态时处于 500 V 电压，因此漏电流已高达近 1 mA 以及相应的损耗。此外，电源单元中的MOSFET不断地以高频率接通和关断电流，其温度可能达到100°C或更高。
然而，在测试中，MOSFET仅导通并允许导通直至达到指定电流（例如4A）。测试电路（图 6）与升压转换器类似，但没有用于对电感进行消磁的续流二极管。一旦 MOSFET 关断，漏极电压就会无限增加，并且仅被 MOSFET 钳位到高于允许反向电压的值 V(BR)DS。在测量突然限制振荡的平台时，通常可以看到这种情况。在测试中，MOSFET 始终保持关闭状态，电压为 50 V。
图 6. 雪崩能量测试的数据表摘录。图片由博多电力系统提供
在英飞凌关于雪崩能量主题的应用说明中，您可以看到示波器图（图 7），其中显示 MOSFET 导通 40 ?s（电流 ID 上升），退磁需要 22 s（电流 ID 下降）。因此，雪崩能量有 22s 的时间在芯片中分布。
图 7. 雪崩能量测试的数据表摘录。图片由博多电力系统提供
在 Vishay 的应用说明中，我读到了另一个有趣的方面（图 8）：“典型的现代功率 MOSFET 具有数百万个相同的沟槽、单元或许多并行的条带，以形成一个器件......对于稳健的设计，雪崩电流必须在这些单元格/条带之间均匀共享。”
典型的现代功率 MOSFET 具有数百万个相同的沟槽、单元或许多并行的条带，以形成一个器件，如图 7 所示。为了实现稳健的设计，雪崩电流必须在许多单元/条带之间均匀共享。
在这篇Vishay应用笔记中，还有一个显示电感退磁的波形图；因此，过压持续 70s。
22 s 或 70 s 的持续时间无关紧要——电源中的过压只持续这些时间的一小部分，即 5 ns 到 500 ns 之间。因此，雪崩电流必须在数据表中指定的百分之一到千分之一的时间内均匀分布在数百万个并行结构上，以实现“稳健的设计”。这意味着芯片内部的电阻和电感起着主要作用。据我所知，MOSFET 制造商不会测试这种情况，如果他们不测试，他们也很有可能不会针对这种情况优化设计。
此外，无论是在启动、市电中断、市电浪涌电压期间，还是在过载或短路情况下，常常会连续出现许多电压峰值。在一些数据表中，重复值也可以与单脉冲雪崩能量一起找到。对于英飞凌 CoolMOS 器件（图 5），重复值仅为单脉冲的 5%，并且具有同样不切实际的测试条件。
雪崩能量数据表通常指定栅极电压为零作为条件。仔细查看示波器测量结果：在漏极电压峰值期间，由于米勒效应和不完善的栅极驱动器电路，栅极电压通常明显为正，为一伏或更高。
考虑还是忽略雪崩能量？ 基于这些发现和考虑，出现了是否应考虑指定雪崩能量的问题。对我来说，答案是明确的“不”。适用允许漏极电压，在任何工作情况下都不得超过该电压。这是获得可靠电源装置的重要前提。
MOSFET制造商也说了同样的话：即使是短扭矩，也必须严格遵守额定值，因为否则，MOSFET的使用寿命和可靠性就无法得到保证。
我们的电源开发人员测试我们的电路；如果没有任何问题，我们会竖起大拇指。但如果这数百万个并行结构中只有 100 个损坏，我们甚至不会注意到。质量部门可能会进行一千次测试，但即便如此，我们也不会注意到十万个结构被破坏，因为仍有数百万个完好无损。当客户的设备在一年或更长时间后出现故障时，就会有很多猜测，一切都经过计算和测试，发现一切都很好。
建议 MOSFET 的反向电压在数据表中指定。许多 MOSFET 制造商警告不要超过此允许反向电压，即使是短暂的，以免损害使用寿命和可靠性。
如果数据表中指定了雪崩能量，那么这将根本不符合开关电源的实际应用。雪崩电流要高得多，温度要高得多，并且过压峰值总是会重复出现。此外，电源中的雪崩能量必须在 MOSFET 制造商规定的千分之一时间内均匀分布在芯片中数百万个并行结构上。如果一些制造商在生产中测试 100% 的雪崩能量，那也无济于事。即使对电源单元进行广泛的长期测试也只能提供具有欺骗性的确定性，因为每次测试半导体可能只会受到更多损坏，并且只有在运行一年后才在客户场所出现故障。
