淺析引起TVS器件熱擊穿的幾種模型

王曾 馬路遙 潘朋濤

摘要：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，TVS器件已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)TVS器件的可靠性提出了更高要求。通過(guò)對(duì)TVS失效器件的分析有助于提升對(duì)這類器件的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能更好的應(yīng)用它。本文分析了TVS器件由于過(guò)電應(yīng)力（EOS）引起的能量過(guò)高，大大高于器件的承受范圍，導(dǎo)致器件因過(guò)熱而失效，即熱擊穿引起的致命損傷。

關(guān)鍵詞：熱擊穿;過(guò)電應(yīng)力;可靠性;

1.前言

TVS器件廣泛應(yīng)用在電子線路，如果應(yīng)用不恰當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致器件失效，從而失去保護(hù)意義。熱擊穿是TVS失效比較典型的失效模式，其引起這種失效的根本原因是由于EOS的作用。本文重點(diǎn)分析在TVS應(yīng)用中引起熱擊穿的幾種模型。分析基于如圖1-1的使用場(chǎng)景，使用TVS型號(hào)為SMDJ160A。圖中TVS主要作為繼電器的續(xù)流管使用，工作電壓設(shè)定為直流110V，繼電器內(nèi)阻設(shè)定為5KΩ或3.6KΩ。

2.失效機(jī)理分析

如圖1-1所示，TVS在電路中大概有以下3種因素會(huì)導(dǎo)致熱擊穿而失效：① 正向損耗;② 反向損耗;③ 開(kāi)關(guān)損耗

2.1.正向損耗

在以上電路當(dāng)中，存在兩種正向沖擊產(chǎn)生損耗的可能，分別為電源反接和正向續(xù)流。

① 如果110V直流電源接反時(shí)，TVS管正向?qū)ǎ喈?dāng)于電源直接對(duì)地短路，回路產(chǎn)生的短路電流將會(huì)使二極管燒壞失效，這種模式會(huì)在開(kāi)機(jī)后馬上顯現(xiàn)。

② TVS器件作為繼電器的續(xù)流二極管使用，其主要目的是為了消除繼電器線包感性負(fù)載在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，在續(xù)流過(guò)程中續(xù)流二極管處于正向?qū)ǖ男狗殴ぷ鞣绞剑赡茉馐艿降哪芰繎?yīng)該為感性負(fù)載工作時(shí)儲(chǔ)存的能量，其值為：，大小決定于感性負(fù)載的工作電流的平方和電感量。續(xù)流等效電路如圖1-2所示，通過(guò)已知條件和設(shè)定參數(shù)，可以對(duì)電路中感性負(fù)載釋放的能量進(jìn)行計(jì)算：繼電器的線包阻抗以3.6KΩ計(jì)，流過(guò)繼電器的電流按最大電流計(jì)算為：

預(yù)設(shè)電感量為：100mH，則儲(chǔ)存和釋放能量為：

TVS設(shè)計(jì)的最大峰值功率PPPM=3KW（試驗(yàn)波形10us/1000us標(biāo)準(zhǔn)波），TVS反向能吸收能量大于3J。一般來(lái)說(shuō)，TVS的正向吸收能量的能力大于反向，即EPF>EPR>3J，也就是說(shuō)3J以下的能量沖擊不會(huì)對(duì)TVS產(chǎn)品造成損傷和損壞。

此種情況下，在TVS上釋放的能量（48μJ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3J，不足以損傷、損壞TVS器件。

2.2.反向損耗

① 正常供電：輸入電壓為110V，按上偏差20%計(jì)算，輸入電壓最大值為132V， SMDJ160A的擊穿電壓VBR為178V～197V之間。132V

此功耗極小，不足以導(dǎo)致該產(chǎn)品失效甚至損傷，這種情況下TVS的功耗是很小的。

②異常輸入電壓存在尖峰、浪涌：如果由于尖峰、浪涌電壓導(dǎo)致SMDJ160A產(chǎn)品失效，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：

a：尖峰或浪涌電壓必須足夠高，大于產(chǎn)品的擊穿電壓，即>178V;

b：擊穿以后在TVS器件上施加的能量足夠大，至少單次大于3焦耳，或小于3焦耳的多次累積。

設(shè)定電路遭受600V/10μs（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)阻r=50Ω）的尖峰電壓沖擊時(shí)，則：

TVS承受的最大能量為： SMDJ160A的VC為259V，則TVS承受的最大能量為：

這個(gè)能量小于TVS所能承受的最大能量，因此可能不會(huì)對(duì)TVS造成致命損傷。但是如果線路中出現(xiàn)連續(xù)的尖峰電壓沖擊時(shí)，需要計(jì)算累計(jì)能量與考慮芯片的熱延時(shí)不匹配，有可能會(huì)導(dǎo)致TVS的能力將會(huì)逐漸退化致失效。

2.3.開(kāi)關(guān)損耗

TVS管在除上述兩類穩(wěn)態(tài)工作模式及靜態(tài)損耗外，還存在ON→OFF→ON的開(kāi)關(guān)過(guò)程工作模式及渡越損耗，有時(shí)該模式及該損耗會(huì)起著主要的、主導(dǎo)的作用，特別是在快速開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合更是不可忽視。其等效示意圖如圖2所示，開(kāi)關(guān)過(guò)程如下：

① 電路上電時(shí)：電流的流向如圖2-1所示，二極管的反向漏電流最大為5uA，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，幾乎不產(chǎn)生損耗，不存在發(fā)熱燒毀的可能性;此時(shí)繼電器線包上電處于工作狀態(tài)并儲(chǔ)存能量;

② 電路斷電時(shí)：感性負(fù)載產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管進(jìn)行泄放，泄放電流流向如圖2-2，此時(shí)續(xù)流二極管處于正向?qū)ɡm(xù)流工作狀態(tài);

③ 電路斷電后，續(xù)流二極管續(xù)流工作直到繼電器負(fù)載中儲(chǔ)存的能量消耗完畢后續(xù)流二極管恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，整個(gè)續(xù)流工作時(shí)間決定于泄放時(shí)間為τ的長(zhǎng)短，;

電路斷電再到上電過(guò)程中，若繼電器開(kāi)關(guān)頻率不高，即泄放時(shí)間τ<，二極管續(xù)流過(guò)程已完成，二極管立即進(jìn)入反偏截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)漏電流最大為5uA，損耗可以忽略，不會(huì)燒毀續(xù)流二極管;但若繼電器的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)快，即泄放時(shí)間τ>時(shí)，由于續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr的存在（理想二極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)與實(shí)際二極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別如圖3-1、圖3-2），續(xù)流二極管不能立即進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)續(xù)流二極管可能處于高壓、大電流的大損耗能量狀態(tài)，此時(shí)續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr將決定續(xù)流二極管反向損耗能量的大小，trr越大則反向損耗越大，續(xù)流二極管越易損壞。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗導(dǎo)致的失效模式常常是導(dǎo)致續(xù)流二極管發(fā)生失效的真正原因，而且非常具有隱蔽性，這種故障本應(yīng)該發(fā)生在高速開(kāi)關(guān)繼電器的場(chǎng)合，所以低頻或者僅僅只有“開(kāi)”和“關(guān)”的場(chǎng)合通常不會(huì)加以考慮。但實(shí)際情況是即使在僅有“開(kāi)”、“關(guān)”繼電器的場(chǎng)合也會(huì)由于開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大而發(fā)生失效。

根本原因是因?yàn)橥ǔ４蠹叶及选伴_(kāi)”和“關(guān)”的兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行了理想化處理，實(shí)際上開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”、“關(guān)”過(guò)程是存在顫動(dòng)的，顫動(dòng)的頻率、時(shí)間長(zhǎng)短與諸多因素相關(guān)，比如開(kāi)關(guān)質(zhì)量的好壞、開(kāi)關(guān)過(guò)程電流的大小、開(kāi)關(guān)電壓的高低等等，一旦“開(kāi)”和“關(guān)”過(guò)程發(fā)生顫動(dòng)就等同于繼電器處于高頻“開(kāi)”和“關(guān)”的兩個(gè)過(guò)程，不斷的接通和斷開(kāi)使繼電器實(shí)際處于高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此時(shí)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了其遭受能量沖擊大小的關(guān)鍵，當(dāng)然也決定了續(xù)流二極管發(fā)熱量的大小，當(dāng)發(fā)熱量大于散熱量時(shí)必將導(dǎo)致續(xù)流二極管結(jié)溫的升高，最終熱擊穿導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效。這類失效也需要同時(shí)具備兩個(gè)條件：①開(kāi)關(guān)過(guò)程發(fā)生高頻顫動(dòng);②續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，值得注意的是通常功率越大的器件反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

3.分析結(jié)論

通過(guò)以上分析：引起TVS器件發(fā)生熱擊穿失效的模式有①正向損耗異常增大大;②反向損耗異常增大;③ 高頻開(kāi)關(guān)損耗。無(wú)論是哪種模式我們?cè)谠O(shè)計(jì)線路時(shí)都應(yīng)該引起重視考慮周詳。

4.參考文獻(xiàn)

[1] 楊尊松;王立新等. 瞬態(tài)電壓抑制二極管的概述和展望. 電子設(shè)計(jì)工程. 2016