芯耀
与非AI
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作者简介：周明，深耕碳化硅铸硬核功底，细研功率件的靠谱工程师
01、如何理解SiC MOSFET的雪崩能力？EAS和EAR到底代表什么？
工程师在查看SiC MOSFET数据手册时，经常会看到两个参数：
EAS（Single Pulse Avalanche Energy）
EAR（Repetitive Avalanche Energy）
很多人把这两个参数理解为：" EAS越大，器件越好；EAR越大，器件越可靠。"
也有人认为："只要雪崩能量不超过EAS，MOSFET进入雪崩状态也没有问题。"
事实上，这些理解并不完全正确。不同厂家对于EAS和EAR的定义、测试条件并不完全一致, 不能直接横向比较EAS，EAR。而要真正理解EAS和EAR的意义，首先要弄清楚一个问题：MOSFET为什么会发生雪崩？
02、MOSFET为什么会发生雪崩？
上一篇文章中，我们介绍了MOSFET额定电压VDSS与击穿电压之间的关系。当MOSFET承受的漏源电压VDS不断升高时，漂移区内的电场强度也随之增加。当电场强度超过临界值后，高速电子会撞击晶格原子，产生新的电子-空穴对。新产生的载流子继续被加速，并再次发生碰撞电离，从而形成链式倍增效应。
这一过程称为：碰撞电离（Impact Ionization）。
当载流子倍增达到一定程度后，MOSFET漏极电流迅速增加，即发生：雪崩击穿（Avalanche Breakdown）。
需要特别强调的是：雪崩击穿并不等于器件损坏。
如果电流受到严格限制，即使MOSFET进入雪崩区，也可以反复测试而不会失效。
雪崩失效既与结温升高有关，也可能与局部电流聚集、寄生结构激活以及栅氧化层应力等机理有关。对于大多数SiC MOSFET而言，热应力仍是决定雪崩能力的重要因素之一。
03、雪崩能力本质上限制的是什么？
很多工程师会认为：既然发生雪崩时VDS超过了击穿电压，那么雪崩能力应该是耐压能力。
实际上并非如此。
雪崩期间MOSFET同时承受：
击穿电压
雪崩电流
器件内部的瞬时功耗为：
这部分功耗最终全部转化为热量。因此决定器件是否能够生存下来的关键因素并不是击穿电压，而是：结温是否超过器件允许极限。
所以从工程角度来看：雪崩能力本质上反映的是器件承受瞬时热应力的能力。
这也是为什么同样是1200V器件，不同芯片尺寸、不同工艺平台的雪崩能力可能差异很大的原因。
04、什么是EAS？
为了评价MOSFET的雪崩能力，行业通常使用UIS（Unclamped Inductive Switching）测试。
其测试电路如下：
测试过程非常简单。
首先在指定的测试电压VDD下，导通MOSFET，让电流流过电感。当电流达到设定值ID后迅速关断MOSFET。由于电感电流不能突变，电感会产生反向感应电压,而测试电路中没有额外钳位器件吸收能量，所以MOSFET漏源电压快速上升。当VDS超过BV(DSS)后，器件进入雪崩状态。此时电感中的能量通过MOSFET进行释放。如果释放能量低于器件极限，器件可以正常工作；如果超过器件雪崩能力，则可能发生参数漂移甚至永久失效。
因此：EAS（Single Pulse Avalanche Energy）表示器件在规定测试条件下，能够承受一次雪崩事件的最大能量。
05、EAS为什么不等于电感储能？
很多资料会直接给出：
并认为这就是EAS。
事实上两者并不完全相同。在雪崩过程中，除了电感释放能量外，电源仍然连接在测试回路中。
如下图所示：
当MOSFET进入雪崩区后：
此时电源VDD还会继续向回路输入能量, 因此器件实际吸收的雪崩能量不仅包括电感储能，还包括电源贡献的能量。对雪崩期间功率积分后可得MOSFET最终消耗的能量为：
因此：
这也是很多工程师容易困惑的地方。因为EAS不仅包含电感原本储存的能量，同时也包含雪崩期间电源额外提供的能量。
Datasheet中的EAS通常是在50V母线电压下测量得到。对于800V、1000V DC-Link应用，应按照下图修正换算至实际工作电压后再进行比较，否则可能高估器件的雪崩能力。实线采用保守假设VDSS=V(BR)DSS, 虚线采用实际V(BR)DSS。由于实际击穿电压高于额定VDSS，虚线显示的可承受雪崩能量更高。
06、EAS越大就代表器件越好吗？
未必。
很多工程师在选型时会直接比较EAS。
例如：
A器件：EAS = 1 J
B器件：EAS = 2 J
然后得出结论："B器件雪崩能力更强。"
但实际上EAS与测试条件密切相关。
例如：
初始结温
电感值
雪崩电流
电源电压
芯片尺寸
都会影响最终测试结果。即使是同一颗MOSFET，在不同测试条件下测得的EAS也可能相差数倍。
因此：不同厂家规格书中的EAS数据通常不能直接横向比较。
07、什么是EAR？
EAS描述的是：一次雪崩事件能否存活。而实际应用中更常见的问题是：器件反复进入雪崩状态。
这时就需要关注另一个参数：EAR（Repetitive Avalanche Energy）即重复雪崩能量。
EAR反映器件在重复雪崩工况下允许承受的单次雪崩能量，其设置目的与长期可靠性相关，但本身并不是寿命指标。超过EAR能力或长期承受高雪崩应力时，高电场和高结温会持续作用于MOSFET内部结构，其根本原因通常与热载流子效应（Hot Carrier Injection）以及SiC/SiO₂界面陷阱变化有关，可能出现下述老化现象：
阈值电压漂移（Vth Shift）
漏电流增加
导通电阻变化
界面陷阱增多
热载流子退化
这些退化未必会立即造成器件失效，但可能缩短器件寿命，EAR的目的是限制长期可靠性退化风险。
08、EAS和EAR对比
09、实际设计中应该如何看待雪崩能力？
很多工程师喜欢将EAS作为设计裕量。这种做法本身没有问题。但需要明确的是：雪崩能力是保护能力，而不是工作能力，并不意味着应用中允许器件长期工作在雪崩状态。
一个优秀的电源设计，其目标应该是：
优化PCB布局
降低寄生电感
控制电压尖峰
使用吸收网络
避免器件长期进入雪崩
而不是依赖MOSFET的雪崩能力来吸收系统中的过压能量。换句话说：理想的设计不是让MOSFET具备雪崩能力，而是尽量不让MOSFET进入雪崩状态。
10、小结
EAS和EAR是评价MOSFET雪崩鲁棒性的重要参数，但二者关注的重点并不相同。
EAS反映器件承受单次雪崩冲击的能力；
EAR反映了器件在重复雪崩工况下允许承受的单次雪崩能量，其设置目的是避免长期可靠性退化，但其本身并不直接对应具体寿命次数；
雪崩能力本质上是器件的电热鲁棒性，而不仅仅是耐压能力；
EAS并不等于电感储能，因为雪崩过程中电源也会持续提供能量；
不同器件的EAS不能简单横向比较；
雪崩能力应作为保护裕量，而非正常工作条件。
理解雪崩机理以及EAS、EAR参数的真正含义，才能在器件选型和系统设计过程中正确评估SiC MOSFET的可靠性与安全裕量。
