W tym poście omawiamy oceny lawin MOSFET i dowiadujemy się, jak poprawnie zrozumieć tę ocenę w arkuszu danych, jak parametr jest testowany przez producenta oraz środki ochrony tranzystorów MOSFET przed tym zjawiskiem.

Parametr lawinowy nie tylko pomaga zweryfikować wytrzymałość urządzeń, ale dodatkowo pomaga odfiltrować słabsze tranzystory MOSFET lub te, które są bardziej podatne na awarie.

Co to jest ocena lawinowa MOSFET

Stopień lawinowy MOSFET to maksymalna dopuszczalna energia (milidżul), jaką tranzystor MOSFET może wytrzymać, gdy jego napięcie źródła drenu przekracza limit maksymalnego napięcia przebicia (BVDSS).

Zjawisko to zwykle występuje w obwodach przełączających MOSFET z obciążeniem indukcyjnym na zacisku spustowym.

Podczas okresów włączenia cykli przełączania cewka indukcyjna ładuje się, a podczas okresów wyłączenia cewka uwalnia swoją zmagazynowaną energię w postaci przeciwelektromotorycznej siły elektromotorycznej poprzez dren źródła tranzystora MOSFET.

To napięcie wsteczne przedostaje się przez diodę korpusu tranzystora MOSFET, a jeśli jego wartość przekracza maksymalny dopuszczalny limit urządzenia, powoduje intensywne wydzielanie się ciepła w urządzeniu, powodując uszkodzenie lub trwałe uszkodzenie urządzenia.

Kiedy wprowadzono MOSFET Avalanche

Parametr Energia lawinowa i prąd UIS (niezaciskane przełączanie indukcyjne) w rzeczywistości nie był uwzględniany w arkuszach danych MOSFET przed 1980 rokiem.

I wtedy to ewoluowało nie tylko w specyfikację arkusza danych, ale jako parametr, od którego wielu konsumentów zaczęło żądać, aby FET został przetestowany przed przekazaniem urządzenia do produkcji, zwłaszcza jeśli MOSFET jest projektowany do celów zasilania lub przełączania.

Dlatego dopiero po latach 80. XX wieku w kartach katalogowych zaczął pojawiać się parametr lawinowy, a technicy promocji zaczęli rozumieć, że im wyższy wskaźnik lawinowy, tym bardziej konkurencyjne wydawało się urządzenie.

Inżynierowie zaczęli określać techniki eksperymentowania z parametrem, modyfikując kilka jego zmiennych, które były używane w procesie testowania.

Ogólnie rzecz biorąc, im większa energia lawiny, tym trwalszy i mocniejszy jest tranzystor MOSFET. Dlatego większa ocena lawinowa reprezentuje silniejsze właściwości MOSFET.

Większość arkuszy danych FET zwykle zawiera parametr lawiny zawarty w ich tabeli bezwzględnych maksymalnych ocen, którą można znaleźć bezpośrednio na stronie wejściowej arkusza danych. W szczególności możesz zobaczyć tutaj parametry zapisane jako Prąd lawinowy i Energia lawiny, Eas.

“gdzie jest używana topologia magistrali? ”

Dlatego w arkuszach danych MOSFET Avalanche Energy jest przedstawiana jako ilość energii, którą tranzystor MOSFET jest w stanie tolerować podczas poddawania go testowi lawinowemu lub w przypadku przekroczenia maksymalnego napięcia przebicia tranzystora MOSFET.

Prąd lawinowy i UIS

Ta maksymalna wartość znamionowa napięcia przebicia jest określana za pomocą testu lawinowego prądu, który jest wykonywany przez test niezaciśniętego przełączania indukcyjnego lub test UIS.

Dlatego kiedy inżynierowie dyskutują o prądzie UIS, mogą mieć na myśli Prąd Lawinowy.

Test niezaciśniętego przełączania indukcyjnego jest wykonywany w celu określenia prądu, a tym samym energii lawiny, która może wywołać awarię MOSFET.

Jak wspomniano wcześniej, te wielkości lub wartości są w dużym stopniu zależne od specyfikacji testowych, w szczególności wartości induktora zastosowanej w czasie testu.

Konfiguracja testowa

Poniższy schemat przedstawia standardową konfigurację obwodu testowego UIS.

W ten sposób widzimy napięcie zasilające połączone szeregowo z cewką indukcyjną L, która jest również połączona szeregowo z testowanym tranzystorem MOSFET. Możemy również zobaczyć sterownik bramki dla FET, którego wyjście jest połączone szeregowo z rezystorem bramki FET R.

Na poniższym obrazie znajdujemy kontroler LTC55140, który jest używany w laboratorium Texas Instrument do oceny charakterystyki UIS tranzystora FET.

Charakterystyka UIS pomaga następnie nie tylko znaleźć ocenę arkusza danych FET, ale także wartość wykorzystywaną do skanowania FET w końcowej procedurze testowej.

Narzędzie umożliwia zmianę wartości induktora obciążenia od 0,2 do 160 miliardów. Umożliwia regulację napięcia spustowego testowanego tranzystora MOSFET w zakresie od 10 do 150 woltów.

W rezultacie umożliwia to ekranowanie nawet tych tranzystorów FET, które są przystosowane do obsługi tylko napięcia przebicia 100 V. I staje się możliwe zastosowanie prądów drenowych od 0,1 do 200 amperów. I to jest zakres prądu UIS, który FET może tolerować podczas procedury testowania.

Dodatkowo narzędzie umożliwia ustawienie różnych zakresów temperatur obudowy MOSFET-u od -55 do +150 stopni.

Procedury testowe

Standardowy test UIS jest wdrażany w 4 etapach, jak pokazano na poniższym obrazku:

Pierwszy etap składa się z testu upływu, w którym napięcie zasilania polaryzuje dren FET. Zasadniczo chodzi tutaj o próbę upewnienia się, że FET działa w normalny oczekiwany sposób.

Tak więc w pierwszym etapie FET pozostaje wyłączony. Utrzymuje napięcie zasilania zablokowane na zaciskach daim-emiter, nie powodując żadnego nadmiernego przepływu prądu upływowego.

W drugim etapie, znanym jako narastanie prądu lawinowego, tranzystor FET jest włączany, co powoduje spadek napięcia drenu. Powoduje to stopniowy wzrost prądu płynącego przez cewkę ze stałą di / dt. W zasadzie na tym etapie cewka może się naładować.

W trzecim etapie przeprowadzany jest faktyczny test lawinowy, w którym FET jest praktycznie poddawany lawinie. Na tym etapie tranzystor FET jest wyłączany przez usunięcie jego odchylenia bramki. Powoduje to przenikanie masywnego di / dt przez cewkę indukcyjną, powodując, że napięcie drenu FET wystrzeliwuje wysoko powyżej granicy napięcia przebicia tranzystora FET.

To zmusza FET do przejścia przez lawinę. W tym procesie tranzystor FET pochłania całą energię wytworzoną przez cewkę indukcyjną i pozostaje wyłączony, aż do wykonania czwartego etapu, obejmującego test upływu po

Na czwartym etapie FET jest ponownie poddawany powtórnemu testowi lawinowemu, aby upewnić się, czy MOSFET nadal zachowuje się normalnie, czy nie. Jeśli tak, uznaje się, że FET przeszedł pomyślnie test lawinowy.

Następnie tranzystor FET musi przejść przez powyższy test wiele razy, w którym poziom napięcia UIS jest stopniowo zwiększany z każdym testem, aż do poziomu, w którym MOSFET nie jest w stanie wytrzymać i nie przejdzie testu po upływu. I odnotowano, że ten obecny poziom jest maksymalnym obciążeniem prądowym UIS przez tranzystor MOSFET.

Obliczanie energii lawinowej MOSFET

Po osiągnięciu maksymalnej wydajności prądowej UIS tranzystora MOSFET, przy której urządzenie ulegnie awarii, inżynierom znacznie łatwiej będzie oszacować ilość energii, która jest rozpraszana przez FET podczas procesu lawinowego.

Zakładając, że cała energia zmagazynowana w cewce została rozproszona w tranzystorze MOSFET podczas lawiny, tę wielkość energii można określić za pomocą następującego wzoru:

JEST_{TAK JAK}= 1 / 2L x I_Z^dwa

JEST_{TAK JAK}daje nam wielkość energii zgromadzonej wewnątrz cewki indukcyjnej, która jest równa 50% wartości indukcyjności pomnożonej przez kwadrat prądu przepływającego przez cewkę.

W dalszej części zaobserwowano, że wraz ze wzrostem wartości cewki zmniejszała się ilość prądu odpowiedzialnego za przebicie MOSFET-u.

Jednak ten wzrost wielkości cewki w rzeczywistości kompensuje to zmniejszenie prądu w powyższym wzorze na energię w taki sposób, że wartość energii dosłownie wzrasta.

Energia lawinowa czy prąd lawinowy?

Są to dwa parametry, które mogą zmylić konsumentów podczas sprawdzania arkusza danych MOSFET pod kątem oceny lawinowej.

Wielu producentów MOSFET-ów celowo testuje MOSFET z większymi cewkami indukcyjnymi, aby mogli pochwalić się większą energią lawinową, tworząc wrażenie, że tranzystor MOSFET jest testowany pod kątem wytrzymywania ogromnych energii lawinowych, a zatem ma zwiększoną odporność na lawinę.

Ale powyższa metoda użycia większej cewki wygląda myląco, dlatego właśnie inżynierowie Texas Instruments testują z mniejszą indukcyjnością rzędu 0,1 mH, dzięki czemu testowany MOSFET jest poddawany wyższemu prądowi lawinowemu i ekstremalnym poziomom naprężeń przebicia.

Tak więc w arkuszach danych to nie energia lawiny, a raczej prąd lawinowy powinien być większy w ilości, co zapewnia lepszą wytrzymałość MOSFET-u.

To sprawia, że końcowe testy są bardzo rygorystyczne i umożliwia odfiltrowanie jak największej liczby słabszych tranzystorów MOSFET.

Ta wartość testowa jest używana nie tylko jako wartość końcowa przed przekazaniem układu FET do produkcji, ale jest to również wartość wprowadzana w arkuszu danych.

W następnym kroku powyższa wartość testowa jest obniżana o 65%, dzięki czemu użytkownik końcowy może uzyskać szerszy margines tolerancji dla swoich tranzystorów MOSFET.

Na przykład, jeśli testowany prąd lawinowy wynosił 125 A, ostateczna wartość, która jest wprowadzana do arkusza danych, to 81 A po obniżeniu wartości znamionowych.

Prąd lawinowy MOSFET vs czas spędzony w lawinie

Innym parametrem związanym z tranzystorem MOSFET mocy i wymienionym w arkuszach danych, zwłaszcza w przypadku tranzystorów MOSFET przeznaczonych do przełączania aplikacji, jest zdolność do prądu lawinowego w porównaniu z czasem spędzonym w lawinie. Ten parametr jest zwykle pokazywany w odniesieniu do temperatury obudowy tranzystora MOSFET przy 25 stopniach. Podczas testów temperatura obudowy wzrasta do 125 stopni.

W tej sytuacji temperatura obudowy MOSFET-a zbliża się bardzo do rzeczywistej temperatury złącza matrycy krzemowej MOSFET-u.

W tej procedurze, gdy temperatura złącza urządzenia wzrasta, możesz spodziewać się pewnego stopnia degradacji, co jest całkiem normalne? Jeśli jednak wynik wykazuje wysoki poziom degradacji, może to wskazywać na oznaki z natury słabego urządzenia MOSFET.

Dlatego też z punktu widzenia projektowania podejmuje się próbę zapewnienia, aby degradacja nie przekroczyła 30% przy wzroście temperatury obudowy z 25 do 125 stopni.

Jak chronić MOSFET przed prądem lawinowym

Jak dowiedzieliśmy się z powyższych dyskusji, lawina w tranzystorach MOSFET powstaje w wyniku indukcyjnego przełączania pola elektromagnetycznego zwrotnego wysokiego napięcia przez diodę korpusu MOSFET.

Jeśli to napięcie zwrotne EMF przekracza maksymalną wartość znamionową diody korpusu, powoduje ekstremalne wytwarzanie ciepła w urządzeniu i późniejsze uszkodzenia.

Oznacza to, że jeśli indukcyjne napięcie elektromagnetyczne przepuszcza się przez zewnętrzną diodę obejściową o odpowiedniej wartości znamionowej, przez emiter drenu FET może pomóc w zapobieganiu zjawisku lawinowego.

Poniższy schemat sugeruje standardowy projekt dodania zewnętrznej diody dren-emiter w celu wzmocnienia wewnętrznej diody korpusu tranzystora MOSFET.