V tomto příspěvku pojednáváme o lavinových hodnoceních MOSFET a učíme se, jak správně chápat toto hodnocení v datovém listu, jak je parametr testován výrobcem a jak chránit MOSFET před tímto jevem.

Parametr laviny nejen pomáhá ověřit odolnost zařízení, ale také pomáhá odfiltrovat slabší MOSFET nebo ty, které jsou náchylnější nebo s rizikem poruchy.

Co je MOSFET Avalanche Rating

MOSFET lavinové hodnocení je maximální přípustná energie (milijoule), které MOSFET vydrží, když napětí jeho odtokového zdroje překročí limit maximálního průrazného napětí (BVDSS).

K tomuto jevu obvykle dochází ve spínacích obvodech MOSFET s indukčním zatížením přes odtokovou svorku.

Během periody zapnutí spínacích cyklů se induktor nabíjí a během periody vypnutí induktor uvolňuje svoji uloženou energii ve formě zpětného EMF přes odběr zdroje MOSFET.

Toto zpětné napětí si najde cestu tělovou diodou MOSFETu a pokud jeho hodnota překročí maximální tolerovatelný limit zařízení, způsobí v zařízení intenzivní teplo, které způsobí poškození nebo trvalé poškození zařízení.

Kdy byl představen MOSFET Avalanche

Parametr Avalanche Energy a proud UIS (unclamped inductive switching) nebyl ve skutečnosti zahrnut do MOSFET datových listů před 80. léty.

A tehdy se vyvinul nejen ve specifikaci datového listu, ale také v parametr, který mnoho spotřebitelů začalo požadovat, aby byl FET testován před předáním zařízení do výroby, zejména pokud je MOSFET navržen pro napájení nebo přepínání implementací.

Až v 80. letech se tedy v datových listech začal objevovat parametr laviny, a poté technici propagace začali chápat, že čím vyšší je lavina, tím konkurenceschopnější se zařízení jeví.

Inženýři začali určovat techniky experimentování s parametrem vyladěním několika jeho proměnných, které byly použity pro testovací proces.

Obecně řečeno, čím větší je lavinová energie, tím odolnější a silnější se MOSFET změní. Proto větší lavinové hodnocení představuje silnější charakteristiky MOSFET.

Většina datových listů FET bude mít standardně lavinový parametr zahrnutý v jejich tabulce absolutních maximálních hodnot, kterou najdete přímo na vstupní stránce datového listu. Zejména si zde můžete prohlédnout parametry zapsané jako Avalanche Current a Avalanche Energy, Eas.

“pravdivostní tabulka pro 7segmentový displej ”

Proto je v datových listech MOSFET Avalanche Energy uváděn jako množství energie, které je MOSFET schopen tolerovat, když je vystaven lavinovému testu, nebo když je překročena maximální hodnota průrazného napětí MOSFET.

Lavinový proud a UIS

Toto maximální jmenovité průrazné napětí je určeno testem lavinového proudu, který je proveden testem Unclamped Inductive Switching nebo testem UIS.

Proto když inženýři diskutují o proudu UIS, mohou mít na mysli lavinový proud.

Provádí se test Unclamped Inductive Switching, aby se zjistil proud a tím i lavinová energie, která by mohla spustit poruchu MOSFET.

Jak již bylo zmíněno dříve, tyto veličiny nebo hodnocení do značné míry závisí na specifikacích testování, zejména na hodnotě induktoru použité v době zkoušky.

Nastavení testu

Následující diagram ukazuje standardní nastavení testovacího obvodu UIS.

Vidíme tedy napájecí napětí v sérii s induktorem L, který je také v sérii s testovaným MOSFET. Můžeme také vidět ovladač brány pro FET, jehož výstup je v sérii s odporem FET brány R.

Na následujícím obrázku najdeme řídicí zařízení LTC55140, které se používá v laboratoři Texas Instrument k vyhodnocení charakteristik FIS UIS.

Charakteristika UIS následně pomáhá nejen zjistit hodnocení datového listu FET, ale také hodnotu použitou ke skenování FET v závěrečném testovacím postupu.

Tento nástroj umožňuje vyladit hodnotu induktoru zátěže od 0,2 do 160 mil. Umožňuje nastavení odtokového napětí testovaného MOSFET od 10 do 150 voltů.

To ve výsledku umožňuje provádět screening i těch FET, které jsou dimenzovány tak, aby zvládly pouze průrazné napětí 100 voltů. A je možné použít odtokové proudy od 0,1 do 200 ampérů. A toto je aktuální rozsah UIS, který může FET během testovacího postupu tolerovat.

Nástroj navíc umožňuje nastavit různé rozsahy teplot případu MOSFET od -55 do +150 stupňů.

Postupy zkoušení

Standardní test UIS je implementován ve 4 fázích, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

První fáze spočívá v testu před únikem, při kterém napájecí napětí ovlivňuje odtok FET. Hlavní myšlenkou je pokusit se zajistit, aby FET fungoval normálním očekávaným způsobem.

V první fázi je tedy FET udržován vypnutý. Udržuje napájecí napětí blokované na svorkách zesilovače emitoru, aniž by docházelo k nadměrnému úniku svodového proudu.

Ve druhém stupni, který je známý jako náběh lavinového proudu, se FET zapne, což způsobí pokles jeho odtokového napětí. To má za následek postupné zvyšování proudu induktorem s konstantním di / dt. V zásadě se tedy v této fázi může induktor nabíjet.

Ve třetí fázi se provádí skutečný lavinový test, kde je FET lavině prakticky vystaven. V této fázi se FET vypne odstraněním předpětí brány. To má za následek masivní di / dt průchod induktorem, což způsobí, že vypouštěcí napětí FET vystřelí vysoko nad hranici průrazného napětí FET.

To nutí FET projít lavinou. V tomto procesu FET absorbuje veškerou energii generovanou induktorem a zůstává vypnut, dokud není proveden 4. stupeň, zahrnující zkoušku po úniku

V této 4. fázi je FET opět vystaven opakovanému lavinovému testu, jen aby se ujistil, zda se MOSFET stále chová normálně nebo ne. Pokud ano, pak se má za to, že FET prošel lavinovým testem.

Dále musí FET projít výše uvedeným testem mnohokrát, přičemž úroveň napětí UIS se postupně zvyšuje s každým testem, dokud nedosáhne úrovně, kde MOSFET není schopen odolat a selže v testu po úniku. A tato aktuální úroveň je považována za maximální schopnost odolat proudu UIS MOSFET.

Výpočet lavinové energie MOSFET

Jakmile je dosažena maximální proudová kapacita UIS MOSFET, při které se zařízení rozpadne, je pro inženýry mnohem snazší odhadnout množství energie, která je rozptýlena prostřednictvím FET během lavinového procesu.

Za předpokladu, že celá energie uložená v induktoru byla během laviny rozptýlena do MOSFET, lze tuto velikost energie určit pomocí následujícího vzorce:

JE_{TAK JAKO}= 1 / 2L x I_Z^dva

JE_{TAK JAKO}nám dává velikost energie uložené uvnitř induktoru, která se rovná 50% hodnoty indukčnosti vynásobené čtvercovým proudem protékajícím induktorem.

Dále bylo pozorováno, že se zvyšováním hodnoty induktoru se skutečně snížilo množství proudu, který byl zodpovědný za poruchu MOSFET.

Toto zvýšení velikosti induktoru však ve skutečnosti kompenzuje toto snížení proudu ve výše uvedeném energetickém vzorci takovým způsobem, že se energetická hodnota doslova zvyšuje.

Lavinová energie nebo lavinový proud?

Jedná se o dva parametry, které mohou spotřebitele zmást, při kontrole lavinového hodnocení v datovém listu MOSFET.

Mnoho výrobců MOSFET záměrně testuje MOSFET s většími induktory, aby se mohli chlubit větší velikostí lavinové energie, což vytváří dojem, že MOSFET je testován na odolnost vůči velkým lavinovým energiím, a proto má zvýšenou odolnost vůči lavině.

Ale výše uvedená metoda použití většího induktoru vypadá zavádějící, to je přesně důvod, proč inženýři společnosti Texas Instruments testují s menší indukčností řádově 0,1 mH, takže testovaný MOSFET je vystaven vyšším lavinovým proudům a extrémním úrovním napětí při poruše.

Takže v datových listech by to neměla být lavina, ale spíše lavina, která by měla mít větší množství, což by zobrazovalo lepší odolnost MOSFETu.

Díky tomu je závěrečné testování velmi přísné a umožňuje odfiltrování co nejvíce slabších MOSFETů.

Tato testovací hodnota se nepoužívá pouze jako konečná hodnota před předáním rozložení FET pro produkci, ale toto je také hodnota, která je uvedena v datovém listu.

V dalším kroku je výše uvedená hodnota testu snížena o 65%, takže koncový uživatel je schopen získat širší mez tolerance pro své MOSFETy.

Například pokud byl testovaný lavinový proud 125 A, konečná hodnota, která je uvedena v datovém listu, je po snížení výkonu 81 A.

MOSFET Avalanche Current vs Time strávený v Avalanche

Dalším parametrem, který je spojen s výkonovým MOSFET a je uveden v datových listech, zejména pro MOSFET určené pro přepínání aplikací, je Avalanche Current Capability versus Time Spent in Avalanche. Tento parametr se obvykle zobrazuje s ohledem na teplotu případu MOSFET při 25 stupních. Během testování se teplota pouzdra zvýší na 125 stupňů.

V této situaci se teplota případu MOSFETu MOSFET velmi blíží skutečné teplotě spojení křemíkové matrice MOSFET.

V tomto postupu, když se zvýší teplota spojení zařízení, můžete očekávat určité množství degradace, což je zcela normální? Pokud však výsledek ukazuje vysokou úroveň degradace, může to znamenat známky inherentně slabého zařízení MOSFET.

Z konstrukčního hlediska je proto proveden pokus zajistit, aby degradace nepřekročila více než 30% pro zvýšení v případě, že teplota z 25 na 125 stupňů.

Jak chránit MOSFET před lavinovým proudem

Jak jsme se dozvěděli z výše uvedených diskusí, lavina v MOSFET je vyvíjena kvůli vysokonapěťovému indukčnímu zpětnému EMF přepínání přes tělesnou diodu MOSFET.

Pokud toto zpětné napětí EMF překročí maximální jmenovitou hodnotu diody těla, způsobí to extrémní tvorbu tepla v zařízení a následné poškození.

To znamená, že pokud je indukčnímu EMF napětí umožněno procházet externí vhodně dimenzovanou obtokovou diodou, může napříč odtokovým emitorem FET zabránit lavinovému jevu.

Následující diagram navrhuje standardní provedení přidání externí diody odtoku a emitoru pro posílení diody vnitřního těla MOSFET.