浅析引起TVS器件热击穿的几种模型

王曾 马路遥 潘朋涛

摘要：随着电力电子技术的飞速发展，TVS器件已经在各个领域得到了非常广泛的应用，因此对TVS器件的可靠性提出了更高要求。通过对TVS失效器件的分析有助于提升对这类器件的认识，同时也能更好的应用它。本文分析了TVS器件由于过电应力（EOS）引起的能量过高，大大高于器件的承受范围，导致器件因过热而失效，即热击穿引起的致命损伤。

关键词：热击穿;过电应力;可靠性;

1.前言

TVS器件广泛应用在电子线路，如果应用不恰当将会导致器件失效，从而失去保护意义。热击穿是TVS失效比较典型的失效模式，其引起这种失效的根本原因是由于EOS的作用。本文重点分析在TVS应用中引起热击穿的几种模型。分析基于如图1-1的使用场景，使用TVS型号为SMDJ160A。图中TVS主要作为继电器的续流管使用，工作电压设定为直流110V，继电器内阻设定为5KΩ或3.6KΩ。

2.失效机理分析

如图1-1所示，TVS在电路中大概有以下3种因素会导致热击穿而失效：① 正向损耗;② 反向损耗;③ 开关损耗

2.1.正向损耗

在以上电路当中，存在两种正向冲击产生损耗的可能，分别为电源反接和正向续流。

① 如果110V直流电源接反时，TVS管正向导通，相当于电源直接对地短路，回路产生的短路电流将会使二极管烧坏失效，这种模式会在开机后马上显现。

② TVS器件作为继电器的续流二极管使用，其主要目的是为了消除继电器线包感性负载在关断时产生的反向电动势，在续流过程中续流二极管处于正向导通的泄放工作方式，可能遭受到的能量应该为感性负载工作时储存的能量，其值为：，大小决定于感性负载的工作电流的平方和电感量。续流等效电路如图1-2所示，通过已知条件和设定参数，可以对电路中感性负载释放的能量进行计算：继电器的线包阻抗以3.6KΩ计，流过继电器的电流按最大电流计算为：

预设电感量为：100mH，则储存和释放能量为：

TVS设计的最大峰值功率PPPM=3KW（试验波形10us/1000us标准波），TVS反向能吸收能量大于3J。一般来说，TVS的正向吸收能量的能力大于反向，即EPF>EPR>3J，也就是说3J以下的能量冲击不会对TVS产品造成损伤和损坏。

此种情况下，在TVS上释放的能量（48μJ）远远小于3J，不足以损伤、损坏TVS器件。

2.2.反向损耗

① 正常供电：输入电压为110V，按上偏差20%计算，输入电压最大值为132V， SMDJ160A的击穿电压VBR为178V～197V之间。132V

此功耗极小，不足以导致该产品失效甚至损伤，这种情况下TVS的功耗是很小的。

②异常输入电压存在尖峰、浪涌：如果由于尖峰、浪涌电压导致SMDJ160A产品失效，必须同时具备两个条件：

a：尖峰或浪涌电压必须足够高，大于产品的击穿电压，即>178V;

b：击穿以后在TVS器件上施加的能量足够大，至少单次大于3焦耳，或小于3焦耳的多次累积。

设定电路遭受600V/10μs（标准规定内阻r=50Ω）的尖峰电压冲击时，则：

TVS承受的最大能量为： SMDJ160A的VC为259V，则TVS承受的最大能量为：

这个能量小于TVS所能承受的最大能量，因此可能不会对TVS造成致命损伤。但是如果线路中出现连续的尖峰电压冲击时，需要计算累计能量与考虑芯片的热延时不匹配，有可能会导致TVS的能力将会逐渐退化致失效。

2.3.开关损耗

TVS管在除上述两类稳态工作模式及静态损耗外，还存在ON→OFF→ON的开关过程工作模式及渡越损耗，有时该模式及该损耗会起着主要的、主导的作用，特别是在快速开关的场合更是不可忽视。其等效示意图如图2所示，开关过程如下：

① 电路上电时：电流的流向如图2-1所示，二极管的反向漏电流最大为5uA，此时二极管处于截止状态，几乎不产生损耗，不存在发热烧毁的可能性;此时继电器线包上电处于工作状态并储存能量;

② 电路断电时：感性负载产生的反向电动势通过续流二极管进行泄放，泄放电流流向如图2-2，此时续流二极管处于正向导通续流工作状态;

③ 电路断电后，续流二极管续流工作直到继电器负载中储存的能量消耗完毕后续流二极管恢复到截止状态，整个续流工作时间决定于泄放时间为τ的长短，;

电路断电再到上电过程中，若继电器开关频率不高，即泄放时间τ<，二极管续流过程已完成，二极管立即进入反偏截止状态，此时漏电流最大为5uA，损耗可以忽略，不会烧毁续流二极管;但若继电器的开关频率过快，即泄放时间τ>时，由于续流二极管反向恢复时间trr的存在（理想二极管开关状态与实际二极管开关状态分别如图3-1、图3-2），续流二极管不能立即进入关闭状态，此时续流二极管可能处于高压、大电流的大损耗能量状态，此时续流二极管反向恢复时间trr将决定续流二极管反向损耗能量的大小，trr越大则反向损耗越大，续流二极管越易损坏。

根据经验：续流二极管的开关损耗导致的失效模式常常是导致续流二极管发生失效的真正原因，而且非常具有隐蔽性，这种故障本应该发生在高速开关继电器的场合，所以低频或者仅仅只有“开”和“关”的场合通常不会加以考虑。但实际情况是即使在仅有“开”、“关”继电器的场合也会由于开关损耗过大而发生失效。

根本原因是因为通常大家都把“开”和“关”的两个过程进行了理想化处理，实际上开关的“开”、“关”过程是存在颤动的，颤动的频率、时间長短与诸多因素相关，比如开关质量的好坏、开关过程电流的大小、开关电压的高低等等，一旦“开”和“关”过程发生颤动就等同于继电器处于高频“开”和“关”的两个过程，不断的接通和断开使继电器实际处于高速开关状态，此时续流二极管的反向恢复时间的长短决定了其遭受能量冲击大小的关键，当然也决定了续流二极管发热量的大小，当发热量大于散热量时必将导致续流二极管结温的升高，最终热击穿导致产品发生失效。这类失效也需要同时具备两个条件：①开关过程发生高频颤动;②续流二极管的反向恢复时间长，值得注意的是通常功率越大的器件反向恢复时间越长。

3.分析结论

通过以上分析：引起TVS器件发生热击穿失效的模式有①正向损耗异常增大大;②反向损耗异常增大;③ 高频开关损耗。无论是哪种模式我们在设计线路时都应该引起重视考虑周详。

4.参考文献

[1] 杨尊松;王立新等. 瞬态电压抑制二极管的概述和展望. 电子设计工程. 2016