高压超结MOSFET轻松解决LED电源浪涌
wayon维安高压超结mosfet轻松解决led电源浪涌
led作为新型照明光源，具有高效节能、工作寿命长等优点，目前已广泛使用于led显示、车用电子、生活照明等各种照明场景。led恒流驱动特征需要特定的ac-dc恒流驱动电源，为了提高电源能效，led的驱动电源一般采用单级pfc的拓扑。
图一单级pfc拓扑结构
如图一所示，单级pfc的拓扑结构在输入端整流桥与高压mosfet之间没有高容量的电解电容，在遭遇雷击浪涌时，浪涌能量很容易传输到mosfet上，高压mosfet vds易过电压，此时mosfet很容易发生雪崩现象。在开关电源中，研发工程师要求mosfet尽可能少发生或不发生雪崩。
雪崩是指mosfet上的电压超过漏源极额定耐压并发生击穿的现象。图二为600v mosfet的安全工作区示意图，图中红色标线为安全工作区的右边界。雪崩发生时，漏源两端的电压超过额定bvdss，并伴随有电流流过漏源极，此时mosfet工作在此边界的右边，超出安全工作区（soa）。
图二某600v mosfet安全工作区（soa）
如图三所示雪崩测量电路及波形，一旦超出安全工作区，mosfet功耗将大增。左图为雪崩测试的标准电路，右图为雪崩期间的运行波形。mosfet在关断时因vds电压过高而进入雪崩状态，雪崩期间漏源极电压电流同时存在，其产生的瞬时功耗达到数kw，会大大影响整个电源的可靠性。且雪崩期间，必须保证其沟道温度不超过额定沟道温度，否则容易导致器件过温失效。
图三雪崩测量电路及波形
那么，应该如何避免mosfet应用时的雪崩破坏呢？从浪涌防护的角度来说，电源工程师可以增加ac输入端浪涌防护元件的规格，使ac前端器件防护元件吸收掉绝大部分浪涌能量，降低浪涌残压，如增加压敏电阻的尺寸、选择残压更低的压敏以及增加rcd浪涌吸收电路等。另外，亦可选择更高电流id或者更高耐压规格的mosfet避免其自生发生雪崩，但更高的id往往意味着更高的成本，故而，选择更高耐压规格成为一种更简易安全且极具性价比的方案。
图四800v mosfet浪涌测试波形
ch2 vds （蓝色 200v/div）
ch3 ids （紫色 1a/div）
图五650v mosfet浪涌测试波形
ch2 vds （蓝色 200v/div）
ch3 ids （紫色 1a/div）
图四为使用耐压为800v mosfet的led驱动电源在浪涌发生的波形。图五为耐压为650v mosfet的50w led驱动电源在浪涌发生时的波形，二者的浪涌测试条件完全相同。
图四图五中vds波形突然升高的时刻即为浪涌来临的瞬间，图四中的vds最大电压为848v，图五中vds最大电压为776v。雪崩消耗的能量来自于浪涌，图五中650v mosfet关断期间还有较大的漏源电流流过，雪崩现象比较明显。图四中800v mosfet在关断期间电流为0，没有发生雪崩现象，表明传输到器件上的浪涌能量不足以引起雪崩，可见在该电源中使用800v耐压的mosfet大大提高了浪涌安全裕量，避免器件发生雪崩。
在led驱动电源，工业控制辅助电源等应用中，电源工程师在设计浪涌防护时，可选择耐压更高的mosfet，耐压高的器件可将浪涌能量挡在ac 输入端，让输入端口的mov防护器件来吸收，避免mosfet超过安全工作区。这样可以大大提高整机电源的浪涌防护能力。
led作为21世纪的绿色照明产品，正在大量取代传统的光源。依托庞大的led市场，国产器件在sj mosfet领域替换进口品牌的潜力极大。维安结合市场和客户的需求，在产品工艺、封装上持续创新，针对led照明领域通用的800v以上耐压的规格，在产品系列、规格尺寸上也更加齐全。
表一 维安800v sj-mosfet 主推规格列表
上述表格中，03n80m3,05n80m3可以应用在浪涌要求较高的辅助电源中，比如工业380vac输入的3-5w辅助电源。相比650v规格，其浪涌能力明显提高；相比平面工艺的2n80规格，导通电阻明显降低，温升和效率性显著提升。
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led作为新型照明光源，具有高效节能、工作寿命长等优点，目前已广泛使用于led显示、车用电子、生活照明等各种照明场景。led恒流驱动特征需要特定的ac-dc恒流驱动电源，为了提高电源能效，led的驱动电源一般采用单级pfc的拓扑。
图一单级pfc拓扑结构
如图一所示，单级pfc的拓扑结构在输入端整流桥与高压mosfet之间没有高容量的电解电容，在遭遇雷击浪涌时，浪涌能量很容易传输到mosfet上，高压mosfet vds易过电压，此时mosfet很容易发生雪崩现象。在开关电源中，研发工程师要求mosfet尽可能少发生或不发生雪崩。
雪崩是指mosfet上的电压超过漏源极额定耐压并发生击穿的现象。图二为600v mosfet的安全工作区示意图，图中红色标线为安全工作区的右边界。雪崩发生时，漏源两端的电压超过额定bvdss，并伴随有电流流过漏源极，此时mosfet工作在此边界的右边，超出安全工作区（soa）。
图二某600v mosfet安全工作区（soa）
如图三所示雪崩测量电路及波形，一旦超出安全工作区，mosfet功耗将大增。左图为雪崩测试的标准电路，右图为雪崩期间的运行波形。mosfet在关断时因vds电压过高而进入雪崩状态，雪崩期间漏源极电压电流同时存在，其产生的瞬时功耗达到数kw，会大大影响整个电源的可靠性。且雪崩期间，必须保证其沟道温度不超过额定沟道温度，否则容易导致器件过温失效。
图三雪崩测量电路及波形
那么，应该如何避免mosfet应用时的雪崩破坏呢？从浪涌防护的角度来说，电源工程师可以增加ac输入端浪涌防护元件的规格，使ac前端器件防护元件吸收掉绝大部分浪涌能量，降低浪涌残压，如增加压敏电阻的尺寸、选择残压更低的压敏以及增加rcd浪涌吸收电路等。另外，亦可选择更高电流id或者更高耐压规格的mosfet避免其自生发生雪崩，但更高的id往往意味着更高的成本，故而，选择更高耐压规格成为一种更简易安全且极具性价比的方案。
图四800v mosfet浪涌测试波形
ch2 vds （蓝色 200v/div）
ch3 ids （紫色 1a/div）
图五650v mosfet浪涌测试波形
ch2 vds （蓝色 200v/div）
ch3 ids （紫色 1a/div）
图四为使用耐压为800v mosfet的led驱动电源在浪涌发生的波形。图五为耐压为650v mosfet的50w led驱动电源在浪涌发生时的波形，二者的浪涌测试条件完全相同。
图四图五中vds波形突然升高的时刻即为浪涌来临的瞬间，图四中的vds最大电压为848v，图五中vds最大电压为776v。雪崩消耗的能量来自于浪涌，图五中650v mosfet关断期间还有较大的漏源电流流过，雪崩现象比较明显。图四中800v mosfet在关断期间电流为0，没有发生雪崩现象，表明传输到器件上的浪涌能量不足以引起雪崩，可见在该电源中使用800v耐压的mosfet大大提高了浪涌安全裕量，避免器件发生雪崩。
在led驱动电源，工业控制辅助电源等应用中，电源工程师在设计浪涌防护时，可选择耐压更高的mosfet，耐压高的器件可将浪涌能量挡在ac 输入端，让输入端口的mov防护器件来吸收，避免mosfet超过安全工作区。这样可以大大提高整机电源的浪涌防护能力。
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