A MOSFET lavina értékelése, tesztelése és védelme

Ebben a bejegyzésben megvitatjuk a MOSFET lavina besorolását, és megtanuljuk, hogyan kell ezt az értékelést megfelelően megérteni az adatlapon, hogyan teszteljük a paramétert a gyártó által, és miként védjük meg a MOSFET-eket ettől a jelenségtől.

A lavina paraméter nem csak az eszközök szilárdságának ellenőrzését segíti, hanem a gyengébb MOSFET-ek kiszűrését is, illetve azokat, amelyek érzékenyebbek vagy a meghibásodás veszélyének vannak kitéve.

Mi az a MOSFET Avalanche Rating

A MOSFET lavina besorolása az a maximálisan tolerálható energia (millijoule), amelyet egy MOSFET képes ellenállni, amikor a lefolyó forrás feszültsége meghaladja a maximális megszakítási feszültség (BVDSS) határértéket.

Ez a jelenség általában a MOSFET kapcsoló áramkörökben fordul elő induktív terheléssel a lefolyó terminálon keresztül.

A kapcsolási ciklusok ON periódusaiban az induktor feltöltődik, és a OFF időszakokban az induktor a MOSFET forrás-elvezetésén keresztül szabad EMF formájában bocsátja ki tárolt energiáját.

Ez a fordított feszültség átjut a MOSFET testdiódáján, és ha értéke meghaladja az eszköz maximálisan tolerálható határértékét, intenzív hő keletkezik az eszközön belül, ami káros vagy maradandó károsodást okoz az eszközön.

Mikor vezették be a MOSFET lavinát

Az Avalanche Energy és az UIS (unclamped inductive switching) áram paramétere az 1980-as évek előtt valójában nem szerepelt a MOSFET adatlapjaiban.

És ekkor alakult ki nemcsak egy adatlap-specifikáció, hanem egy olyan paraméter is, amelyet sok fogyasztó elkezdett követelni a FET teszteléséhez, mielőtt átadnák az eszközt gyártáshoz, különösen, ha a MOSFET-et áramellátásra vagy megvalósításkapcsolásra tervezték.

Ezért csak az 1980-as évek után kezdtek megjelenni a lavina paraméterek az adatlapokban, majd a promóciós technikusok kezdték megérteni, hogy minél nagyobb a lavina besorolása, annál versenyképesebbnek tűnik az eszköz.

A mérnökök elkezdték meghatározni a paraméterek kísérletezésének technikáit néhány változó módosításával, amelyeket a teszteléshez használtak.

Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb a lavinaenergia, annál tartósabbá és erősebbé válik a MOSFET. Ezért a nagyobb lavina besorolás erősebb MOSFET jellemzőket képvisel.

A legtöbb FET adatlap általában a lavina paramétert tartalmazza az Abszolút maximális értékelés táblában, amely közvetlenül az adatlap belépési oldalán található. Különösen az itt látható paramétereket tekintheti meg: lavina áram és lavina energia, eas.

Ezért az adatlapokban a MOSFET Avalanche Energy olyan energiamennyiségként kerül bemutatásra, amelyet a MOSFET képes elviselni, miközben lavina-tesztnek vetik alá, vagy amikor a MOSFET maximális meghibásodási feszültségét átlépik.

Lavinaáram és UIS

Ezt a maximális meghibásodási feszültséget a lavinaáram-teszten keresztül határozzák meg, amelyet lezáratlan induktív kapcsolási teszt vagy UIS-teszt segítségével hajtanak végre.

Ezért amikor a mérnökök az UIS áramáról beszélgetnek, akkor az lavinaáramra utalhatnak.

Egy lezáratlan induktív kapcsolási tesztet végeznek az áram és ezáltal a lavinaenergia kiderítésére, amely kiválthatja a MOSFET hibáját.

Amint azt korábban említettük, ezek a nagyságrendek vagy névleges értékek nagymértékben függenek a tesztelési előírásoktól, különösen a teszt idején alkalmazott induktivitási értéktől.

Teszt beállítása

Az alábbi ábra egy szabványos UIS teszt áramkört mutat be.

Így egy feszültségellátást látunk egy sor induktorral, L, amely szintén sorban áll a tesztelt MOSFET-mel. Láthatunk egy kapu meghajtót is a FET-hez, amelynek kimenete sorban van egy FET kapu ellenállással.

Az alábbi képen megtaláljuk az LTC55140 vezérlőeszközt, amelyet a Texas Instrument laboratóriumban használnak a FET UIS jellemzőinek értékelésére.

Az UIS karakterisztika ezután nemcsak a FET adatlap értékelésének megismerésében segít, hanem a végső tesztelési eljárás során a FET beolvasásához használt értékben is.

Az eszköz lehetővé teszi a terhelés-induktor értékének módosítását 0,2 és 160 millihuár között. Lehetővé teszi a vizsgált MOSFET lefolyó feszültségének 10 és 150 volt közötti beállítását.

Ennek eredményeként még azok a FET-ek is átvilágíthatók, amelyek csak 100 voltos megszakítási feszültség kezelésére alkalmasak. Ez lehetővé válik a 0,1–200 amperes lefolyóáramok alkalmazásával. És ez az UIS áramtartomány, amelyet a FET-nek tűrnie kell a tesztelési eljárás során.

Ezenkívül az eszköz lehetővé teszi a MOSFET tok hőmérsékletének különböző tartományainak beállítását, -55 és +150 fok között.

Vizsgálati eljárások

A standard UIS tesztet 4 szakaszon keresztül hajtják végre, amint azt a következő kép szemlélteti:

Az első szakasz a szivárgás előtti tesztből áll, amelyben a tápfeszültség torzítja a FET lefolyást. Alapvetően az az ötlet, hogy megpróbáljuk biztosítani, hogy a FET a szokásos elvárt módon teljesítsen.

Így az első szakaszban a FET kikapcsolt állapotban van. A tápfeszültséget blokkolja a daim-emitter sorkapcsok felett, anélkül, hogy bármilyen túlzott szivárgási áram folyna rajta keresztül.

A második szakaszban, amelyet lavinaáram-emelkedésnek neveznek, a FET bekapcsol, ami leeresztő feszültségét csökkenti. Ennek eredményeként az áram fokozatosan növekszik az induktoron keresztül, állandó di / dt értékkel. Tehát alapvetően ebben a szakaszban az induktor feltöltődhet.

A harmadik szakaszban a tényleges lavina tesztet hajtják végre, ahol a FET gyakorlatilag ki van téve a lavinának. Ebben a szakaszban a FET kikapcsol, a kapu torzításának megszüntetésével. Ennek eredményeként hatalmas di / dt jut át ​​az induktoron, ami a FET lefolyó feszültségét a FET megszakítási feszültség határértéke fölé lő.

Ez arra kényszeríti a FET-et, hogy átmenjen a lavina hullámán. Ebben a folyamatban a FET elnyeli az induktor által generált teljes energiát, és kikapcsolva marad, amíg a 4. szakasz le nem történik, a szivárgás utáni tesztet is beleértve

Ebben a negyedik szakaszban a FET-nek ismételten megismétlik a lavina-tesztet, csak azért, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a MOSFET továbbra is normálisan viselkedik-e vagy sem. Ha mégis, akkor a FET sikeresnek minősül a lavina teszten.

Ezután a FET-nek még sokszor át kell esnie a fenti teszten, ahol az UIS feszültségszintjét minden teszt során fokozatosan növelik, egészen addig a szintig, ahol a MOSFET nem képes ellenállni, és elbukik a szivárgás utáni teszten. És ez a jelenlegi szint a MOSFET maximális UIS áramellátási képességének felel meg.

A MOSFET lavinaenergia kiszámítása

Miután megvalósult a MOSFET maximális UIS áramkezelési kapacitása, amelynél az eszköz meghibásodik, a mérnökök számára sokkal könnyebb megbecsülni a lavina-folyamat során a FET-en keresztül elvezetett energia mennyiségét.

Feltételezve, hogy az induktorban tárolt teljes energiát a lavina során eloszlatta a MOSFET, ez az energia nagysága a következő képlettel határozható meg:

IS_MINT= 1 / 2L x I_{NAK,-NEK^két}

IS_MINTmegadja az induktor belsejében tárolt energia nagyságát, amely megegyezik az induktivitás értékének 50% -ával, szorozva az induktivitáson átfolyó négyzetárammal.

A továbbiakban azt figyelték meg, hogy az induktor értékének növekedésével a MOSFET lebontásáért felelős áram mennyisége valóban csökkent.

Az induktor méretének ez a növekedése azonban ellensúlyozza a fenti energia képlet áramcsökkenését oly módon, hogy az energiaérték szó szerint növekedjen.

Lavina energia vagy lavina áram?

Ez a két paraméter, amely megzavarhatja a fogyasztókat, miközben a MOSFET adatlapján lavina besorolást ellenőriznek.

Szerzői jog © Texas Instruments Incorporated

A MOSFET-gyártók közül sokan szándékosan tesztelik a MOSFET-et nagyobb induktivitásokkal, így nagyobb lavinaenergia-nagysággal tudnak büszkélkedni, ami azt a benyomást kelti, hogy a MOSFET-t tesztelték, hogy ellenáll-e a hatalmas lavinaenergiáknak, ezért megnövelt tartóssága a lavinának.

De a nagyobb induktor használatának fenti módszere félrevezetőnek tűnik, pontosan ezért a Texas Instruments mérnökei kisebb, 0,1 mH nagyságrendű induktivitással tesztelnek, így a tesztelt MOSFET-nek magasabb Avalanche áram és extrém meghibásodási stressznek van kitéve.

Tehát az adatlapokban nem az lavina energiának, hanem az lavina áramnak kell nagyobbnak lennie a mennyiségben, ami jobb MOSFET robusztusságot mutat.

Ez rendkívül szigorúvá teszi a végső tesztelést, és lehetővé teszi a lehető legtöbb gyengébb MOSFET kiszűrését.

Ezt a tesztértéket nem csak a FET elrendezés átadása előtt végleges értékként használják a produkcióhoz, hanem ezt az értéket is beírják az adatlapba.

A következő lépésben a fenti tesztértéket 65% -kal csökkentik, így a végfelhasználó szélesebb tűréshatárt tud elérni a MOSFET-ekkel szemben.

Például, ha a tesztelt lavinaáram 125 Amper volt, akkor az adatlapba beírt végső érték 81 Amper, a levezetés után.

MOSFET lavina aktuális vs lavinában eltöltött idő

Egy másik paraméter, amely a power MOSFET-hez társul, és amelyet az adatlapok említenek, különösen az alkalmazások váltására tervezett MOSFET-ek esetében, az lavina áramkapacitás versus az lavinában eltöltött idő függvényében. Ez a paraméter általában a MOSFET házának 25 fokos hőmérsékletéhez viszonyítva jelenik meg. A tesztelés során az eset hőmérsékletét 125 fokra emelik.

Ebben a helyzetben a MOSFET házhőmérséklete nagyon közel kerül a MOSFET szilícium szerszámának tényleges csatlakozási hőmérsékletéhez.

Ebben az eljárásban, amikor az eszköz csatlakozási hőmérséklete megemelkedik, számíthat arra, hogy bizonyos mértékű lebomlást tapasztal, ami teljesen normális? Ha azonban az eredmény magas szintű lebomlást mutat, ez egy eredendően gyenge MOSFET eszköz jeleire utalhat.

Ezért a tervezés szempontjából megkísérelték biztosítani, hogy a lebomlás ne haladja meg a 30% -ot, ha a hőmérséklet 25 és 125 fok között emelkedik.

Hogyan védhetjük meg a MOSFET-et az lavinaáramtól

Mint a fenti megbeszélésekből megtudtuk, a MOSFET-ek lavinája a MOSFET testdiódáján keresztül történő nagyfeszültségű induktív hátsó EMF-váltásnak köszönhető.

Ha ez a hátsó EMF feszültség meghaladja a testdióda maximális névleges értékét, az extrém hőtermelést és későbbi károsodást okoz.

Ez azt jelenti, hogy ha az induktív EMF feszültséget engedjük átjutni egy megfelelő, megfelelő besorolású bypass diódán, akkor a FET lefolyó-emitterén keresztül elkerülhető a lavina jelenség.

Az alábbi ábra a MOSFET belső testdiódájának megerősítésére szolgáló külső lefolyó-kibocsátó dióda hozzáadásának szokásos tervét javasolja.

Udvariasság: MOSFET lavina