文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在功率MOSFET器件的設(shè)計(jì)與選型中，單脈沖雪崩能量（Single Pulse Avalanche Energy, EAS）是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。它量化了器件在極端過壓條件下，單次承受雪崩能量的能力，其單位是焦耳（J）。EAS值越大，意味著器件在遭遇瞬間電壓尖峰時(shí)越不易損壞。

EAS的基本概念與重要性

EAS，全稱為單次雪崩能量，用于衡量MOSFET在漏源（DS）端承受過壓應(yīng)力的能量耐受極限。該參數(shù)的形象描述來源于測試過程：當(dāng)電壓升高至臨界點(diǎn)后，電流會迅速崩塌，類似雪崩現(xiàn)象。在器件手冊中，EAS為設(shè)計(jì)者提供了明確的耐受能力參考，是評估器件可靠性與電路安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

在實(shí)際應(yīng)用中，EAS主要描述單次雪崩事件。器件手冊中還存在另一個(gè)參數(shù)EAR（可重復(fù)雪崩能量），其限定值通常遠(yuǎn)小于EAS，對芯片長期可靠性的影響較小。因此，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮并避免大能量EAS事件的發(fā)生。

EAS的測試原理與評估方法

EAS的測試通?；诟行?a target="_blank">負(fù)載開關(guān)電路。其基本原理是：通過柵極信號控制MOSFET導(dǎo)通，為串聯(lián)的電感充電；關(guān)斷MOSFET時(shí)，電感中儲存的能量會通過器件釋放，迫使漏源電壓VDS上升并可能超過其擊穿電壓BV_DSS，進(jìn)入雪崩狀態(tài)。測試直至器件失效，并根據(jù)失效前的電流等參數(shù)計(jì)算所消耗的能量。

一種典型的測試方法是：設(shè)定母線電壓V_DD，在柵源極間施加一個(gè)脈沖電壓（如10V）使器件導(dǎo)通，電感電流上升至特定值I_AS后關(guān)斷器件。電感能量釋放導(dǎo)致雪崩，通過測量或計(jì)算得到EAS。需要注意的是，準(zhǔn)確的EAS計(jì)算應(yīng)使用實(shí)際測試中測得的BV_DSS值，而非直接采用手冊標(biāo)稱值，且不同廠家的測試條件可能存在差異，因此不能僅憑規(guī)格書數(shù)值直接比較不同器件的EAS能力。

影響EAS的關(guān)鍵因素

EAS的大小并非固定值，它受到芯片溫度、測試電路電感及電流等多重因素影響。

1. 溫度的影響：EAS導(dǎo)致?lián)p壞的本質(zhì)是芯片過熱。芯片的初始結(jié)溫（Tj）直接影響其EAS能力——初始溫度越高，可承受的EAS能量越小。在雪崩過程中，能量轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致溫升，其關(guān)系可表述為：在電流不變的條件下，溫升與吸收的能量成正比。

2. 電感與電流的影響：手冊中給出的EAS值通常對應(yīng)特定的測試電流I_D。EAS能量與電感中儲存的能量直接相關(guān)。根據(jù)能量公式推導(dǎo)，在保持溫升和最大雪崩電壓不變的條件下，若電感量增加，為了達(dá)到相同的溫升，所允許的雪崩電流會減小。綜合來看，電感量增大數(shù)倍，EAS能量會增加，但同時(shí)雪崩電流會減小。

EAS的失效模式與機(jī)理

當(dāng)雪崩能量超過器件極限時(shí)，會導(dǎo)致破壞性失效，主要模式有兩種。

第一種是寄生二極管雪崩燒毀。MOSFET內(nèi)部存在一個(gè)體二極管（寄生二極管）。當(dāng)器件關(guān)斷，感性負(fù)載續(xù)流時(shí)，寄生二極管承受反向電壓。若電壓尖峰使其進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，大電流和高電壓將在芯片內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，若無法及時(shí)散熱，將導(dǎo)致器件因過熱而燒毀。

第二種是寄生雙極型晶體管（BJT）開啟。MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)部還存在一個(gè)由源極、P基區(qū)和N-漂移區(qū)形成的寄生NPN晶體管。正常情況下其處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)寄生二極管發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，流經(jīng)P基區(qū)橫向電阻RB的電流增大，可能導(dǎo)致RB兩端的壓降超過寄生BJT的開啟電壓（VBE），從而使其導(dǎo)通。一旦寄生BJT開啟，會形成大電流通道，使MOSFET失效短路。為抑制此失效模式，現(xiàn)代MOSFET設(shè)計(jì)會致力于減小RB電阻。目前，大多數(shù)EAS失效案例仍以寄生二極管雪崩擊穿過熱為主。

EAS燒毀點(diǎn)常集中在柵極焊盤（PAD）附近。這是因?yàn)榫嚯x柵極越近的元胞，其寄生參數(shù)越小，關(guān)斷速度越快，在雪崩事件中會先于其他區(qū)域承受應(yīng)力并發(fā)生擊穿。

電路設(shè)計(jì)中的保護(hù)措施

為避免EAS事件損壞器件，可在電路設(shè)計(jì)中采取保護(hù)措施。例如，在變壓器或感性負(fù)載兩端并聯(lián)RCD吸收回路，以箝位和吸收反向尖峰電壓。也可以在MOSFET的漏源極之間并聯(lián)RC吸收電路。此外，適當(dāng)增大柵極串聯(lián)電阻可以減緩關(guān)斷速度（抑制dv/dt），從而降低電壓尖峰，但需權(quán)衡由此增加的關(guān)斷損耗。優(yōu)化PCB布局，加粗大電流路徑并縮短走線，有助于降低線路寄生電感，從根源上減少電壓尖峰能量。