UIS测试是什么？雪崩能量对实际应用的影响

1

UIS测试是什么

UIS：英文全称Unclamped Inductive Switching，中文译为非嵌位感性负载开关过程。

UIS是模拟 MOS器件在系统应用中遭遇极端电热应力情况的过程。由于在回路导通时，储存在电感中的能量必须在关断瞬间全部释放，此时MOS上同时经过高电压和大电流，极易引起器件失效。

UIS能力是衡量功率器件可靠性的重要指标，通常用EAS（单脉冲雪崩击穿能量）及EAR（重复雪崩能量）来衡量MOS耐受UIS的能力。

2

EAS、EAR

如果电压过冲值（通常由漏电流和杂散电感造成）未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩能量的能力，但是——

当电感上产生的电压超过MOSFET的击穿电压后，将导致雪崩击穿！

雪崩击穿能量标定的是器件可以容忍的瞬时过冲能量的安全值，即雪崩击穿过程中器件上能够消散（消化）的能量。

EAS——单脉冲雪崩能量，该值标定的是器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。当雪崩击穿发生时，即使MOSFET处于关断状态，电感上的电流同样会流过MOSFET器件，电感上所储存的能量将全部通过MOSFET进行释放，该值不能大于器件的EAS，否则器件将会因过热而损坏。

若MOSFET处于并联状态，不同器件之间的击穿电压很难完全相同，通常情况是某个器件率先发生雪崩击穿，随后所有的雪崩击穿电流（能量）都从该器件流过。

EAR——重复雪崩能量，标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。

重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率，其它损耗以及散热条件的情况下，该参数没有任何意义，散热（冷却）状况经常制约着重复雪崩能量。

在验证器件设计的过程中，最好可以测量处于工作状态的器件（特别是可能发生雪崩击穿的器件）或者热沉的温度，来监测MOSFET器件是否存在过热情况。

3

UIS测试方法

UIS测试电路如下图所示，其中L为感性负载（试验过程中为电感），ID处加电路探头，待测器件的DS两端加电压探头。

UIS测试电路原理图及理论波形图

对所有UIS测试电路，测试流程一般都分为以下三步：

1、MOS器件处于关断状态，此时漏源电压 VDS等于母线电压VDD，电感 L 中没有储存能量，即上图右侧波形图中tp前的部分；

2、栅电极加适当脉冲，器件导通，MOS器件处于开启状态。此时电压源对电感L充电，直到ID达到指定值，即波形图中tp 部分；

3、控制栅电极电压为0，MOS器件被重新关断，电感L开始将储存的能量通过MOSFET器件泄放，当MOS器件两端的电压达到BVDSS(BVDSS1.3BV)时，MOS器件发生雪崩击穿，电感上的能量通过MOS器件释放，电流ID下降。直到电感能量完全释放，ID减小为0后，MOS器件关断，其两端电压回到电容电压VDD。在此过程中，MOS所承受能量即为EAS，其计算公式如波形图中所示。

实测正常波形图如下所示：

UIS实测正常波形图

4

雪崩能量对实际应用的影响

MOSFET应用过程中，如果其D和S极之间可能产生较大电压的尖峰，则需考虑器件的雪崩能量大小。电压达到雪崩击穿电压时所集中的能量主要由电感和电流大小决定。

如在反激的应用中，MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰，存在雪崩击穿的可能，故通常的情况下，功率器件都会降额，从而留有足够的电压余量。

但是，在电源应用中，当输出出现短路时，初级电路回路中会产生较大的电流，在加上初级电感，器件就有可能发生雪崩损坏，因此在这样的应用条件下，就要考虑器件的雪崩能量。

此外，由于一些电机的负载是感性负载，而其在启动和堵转过程中会产生极大的冲击电流，因此也要考虑所使用MOSFET器件的雪崩能量。