功率器件作為電力電子裝置的核心器件，其在設計使用過程中的魯棒性能一直是工程師關心的問題，雪崩能力其中一個很重要的指標，如何理解雪崩，單次雪崩和重復雪崩是如何定義的，以及雪崩會帶來哪些危害，在設計過程中工程師應該如何考量，相信看完本文，你一定會對這些有更深層次的理解。

1

什么是雪崩

雪崩是一種鏈式反應，其中電子在電場下被加速到足以電離電子碰撞的原子，從而釋放更多電子以產生進一步的碰撞電離。如下圖所示，在電場作用下，一個產生兩個，兩個產生四個…… 這樣進一步會產生更多的電子碰撞形成雪崩。仔細觀察這個雪崩原理和核裂變的原理非常相近，都是相互碰撞從而產生更多的電子（核裂變是中子）參與此過程。

功率器件的雪崩性能通常用非鉗位感性負載開關（UIS, 英文全稱為Unclamped Inductive Switching）測試電路測量得到，如下圖所示。當柵極施加開通信號時，管子打開，電感電流穩步上升，當關閉管子時，由于電感電流不能瞬間突變，電流會持續的流過管子并且造成管子兩端的電壓急速上升，這個電壓一般被鉗位在管子的擊穿電壓直至電流降為零，由于在此階段內，管子同時經過高電壓和大電流，瞬間功耗極大，極易引起管子失效。

這個擊穿電壓一般為管子耐壓值的1.1倍至1.3倍，為什么這個擊穿電壓是浮動的呢，這是因為管子所處的溫度可能不同，一般溫度越高，相應的擊穿電壓也就越高，所以很多時候我們在很多規格書中看到的雪崩能量E(AL)是基于1.3倍的耐壓值進行計算的。

UIS能力是衡量功率器件可靠性的重要指標，通常用E(AL)S（單脈沖雪崩能量）和E(AL)R（重復雪崩能量）來衡量器件的雪崩能力。那么如何計算雪崩能量呢，雪崩能量即是在這次雪崩事件中瞬時功率和時間的乘積，即

那么發生了雪崩，管子會不會損壞呢？雪崩是否會損壞器件，這主要取決于它的瞬態結溫能否超過Tjmax。在雪崩期間，它的電流和電壓都很高，所以它的瞬態功率是非常大的。下圖為管子整個雪崩期間的瞬態結溫，如果它的結溫超過了管子所允許的最大結溫（一般是175C），那是很有可能損壞管子的，此處說是有可能而不是絕對，這是因為有時候即使超過Tjmax, 管子不會立即損壞，仍然能正常工作，但是長期運行會影響壽命，管子特性會發生改變（后面會詳細講述），出于功能和可靠性的原因，廠家是不允許超過規格書中標注的溫度。

那么判斷它對的結溫是否滿足規格書的要求呢，即如何計算Tjmax，瞬態結溫是瞬態功率和瞬態熱阻的乘積，此處，從上圖可以看出一般在（t(AV)/2）的時候溫度最高，這是熱阻的RC特性以及瞬態功率為三角形的原因導致的。具體公式如下，其中Tj為管子在雪崩之前的溫度。

2

如何辨別單次雪崩和重復雪崩

如何辨別單次雪崩和重復雪崩是一個非常重要的問題，從雪崩的次數，從雪崩的時間長度，周期，溫度變化等來判斷，似乎都不是，這些條件都比較片面，比如說有時雪崩后面會帶有一些震蕩，所以如何判斷呢？

單次雪崩是發生在在正常應用中的一種錯誤工況，隨機發生，所以這種工況有可能會引起管子失效，并且這種工況發生的頻率很低，上圖為單一雪崩時管子結溫的波形曲線。

重復雪崩是人為的已經被設計在應用中，并且會在某個或者多個周期內定期進入雪崩狀態。比如一些電機應用中的快速放電電路，有些方案選擇用功率器件的重復雪崩來快速放電。上圖為重復雪崩時管子結溫的波形曲線。

簡單來說，辨別單一雪崩和重復雪崩主要是看這個雪崩事件是否是人為故意引入的。一個已經被考慮在設計里并且在某種情況下會工作于此狀態（重復雪崩），發生的概率較大，雪崩的能量較低，可控。一個是隨機發生，再設計中并未被考慮進去，發生的概率較低，但雪崩的能量或非常大。

重復雪崩看起來是對單次雪崩事件的重復，兩者看起來非常相似，但背后的邏輯卻差別很大，尤其是系統的穩定和最大結溫，這會影響工程師在設計時的散熱和選型。

3

如何判斷是否滿足規格書

如上文所說，如果功率器件的單次雪崩瞬態結溫超過了規格書所允許的最大結溫，則器件可能會出現永久性的損壞，那么如何辨別實際應用中的雪崩是規格書中所允許的呢，下面以英飛凌的ISC011N06LM5為例，來詳細分析下雪崩曲線。

上圖為其雪崩特征曲線圖，25C結溫曲線顯示了在初始Tj為25C時，給定tav的最大允許I(AL)，此時最大I(AL)導致的最大允許結溫Tj(max)為175C，這意味著允許的溫升為150C。特征曲線下的面積是允許的安全操作面積（SOAR），同樣的，100C（和150C）的結溫曲線是初始結溫Tj為100C(150C)的最大允許的雪崩能力，允許的溫升為75C(和25C)。

此處需要注意的是一般我們上圖三個曲線（25C，100C，150C）的雪崩特征認為是單次雪崩，很多廠家并不會標出重復雪崩能力有關的問題，這主要是由于此類問題的復雜性以及難以識別設備中潛在的物理退化問題。由于重復雪崩的磨損及創傷性質，長期重復的雪崩操作是及其危險的。

那么如何判斷實際的雪崩應用是否超過規格書的要求呢，下面以ISC011N06LM5為例，通過一個簡單的工況來詳細解釋。

工況為：L=2mH，I(AL)=20A，V(BR)DSS=60V，VDD=0V。

根據上述的工況，結合1部分中提供的公式，可以計算出tAL等于0.5ms, 可以看出操作點在25C和100C曲線中間，這看起來操作條件有可能是可行的。下一步需要計算瞬態結溫，從規格書中我們可以查出Zth(0.25ms)約為0.09K/W，根據1部分提供的公式，可以計算出瞬態的溫升為94C，所以如果在進行雪崩之前的溫度Tj能夠小于81C，則此工況是滿足規格書要求的。

4

雪崩對器件的影響

雪崩究竟對器件有何影響呢，除了上文提到的不管是單次雪崩還是重復雪崩如果超過了Tjmax有可能會導致器件損壞，那么如果滿足Tjmax，雪崩到底會不會影響器件的功能呢？

答案是肯定的，對管子來說雪崩絕對算是損傷或是磨損，或大或小，或明顯或不明顯，但是如果雪崩次數夠多，管子的性能將會逐漸發生變化，這也是為什么最近這些年一些大廠的規格書會根據不同的工況提供脈沖次數的限制。

上圖是實驗室重復雪崩的一些測試結果，隨著雪崩次數的增多，閾值（Vth）在降低，Rdson在升高。

怎么理解這一現象呢，下圖為當前主流的單溝槽結構和雙溝槽結構（目前主要是溝槽型，平面型的雪崩能力要強很多），在雪崩過程中，由于功率器件的結構柵極附近的電場較為集中，通過的電子相對較多。對于雪崩，其是一種鏈式反應，相互碰撞從而釋放更多電子進一步碰撞電離。在這個過程中難免會有一些會誤撞損傷了柵極氧化層，降低了柵極絕緣性，Vth降低。另外在雪崩碰撞的過程中，不可避免的會導致一些晶胞損壞掉，從而增大了Rdson。所以工程師在設計產品的時候必須要考慮雪崩所帶來的一些負面效果，尤其是一些并聯設計等等。

基于以上的分析，目前有些廠家已經專門提供了可以承受更大雪崩能量以及更多的雪崩次數的管子，主要是對溝槽型柵極附近的更改。但是要記住，任何事情都是公平的，沒有無緣無故的好，也沒有無緣無故的壞。雪崩能力的提升帶來的是Rdson的增加以及開關損耗的增加，這會對工程師的熱設計帶來挑戰，所以工程師再設計的時候要分析清什么才是我們所需要的。