В этом посте мы обсуждаем лавинные рейтинги MOSFET и узнаем, как правильно понимать этот рейтинг в таблице данных, как параметр тестируется производителем, и меры по защите MOSFET от этого явления.

Параметр лавины не только помогает проверить надежность устройств, но и дополнительно помогает отфильтровывать более слабые полевые МОП-транзисторы или те, которые более восприимчивы или подвержены риску поломки.

Что такое MOSFET Avalanche Rating

Лавинный рейтинг MOSFET - это максимально допустимая энергия (миллиджоуль), которую MOSFET может выдержать, когда его напряжение сток-исток превышает предел максимального напряжения пробоя (BVDSS).

Это явление обычно возникает в схемах переключения MOSFET с индуктивной нагрузкой на выводе стока.

Во время периодов включения циклов переключения индуктор заряжается, а во время периодов выключения индуктор высвобождает накопленную энергию в виде обратной ЭДС через исток-сток полевого МОП-транзистора.

Это обратное напряжение проходит через диод в корпусе полевого МОП-транзистора, и, если его значение превышает максимально допустимый предел устройства, вызывает интенсивное нагревание внутри устройства, вызывая повреждение или необратимое повреждение устройства.

Когда был представлен MOSFET Avalanche

Параметры Avalanche Energy и UIS (индуктивное переключение без ограничений) фактически не были включены в таблицы данных MOSFET до 1980-х годов.

И именно тогда он превратился не только в спецификацию таблицы данных, но и в параметр, который многие потребители начали требовать, чтобы полевой транзистор был протестирован перед передачей устройства в производство, особенно если полевой МОП-транзистор разрабатывается для реализации источников питания или переключения.

Таким образом, только после 1980-х годов параметр лавины начал появляться в таблицах данных, и тогда специалисты по продвижению начали понимать, что чем больше рейтинг лавины, тем более конкурентоспособным кажется устройство.

Инженеры начали определять методы экспериментов с параметром, настраивая несколько его переменных, которые использовались в процессе тестирования.

Вообще говоря, чем больше энергия лавины, тем более прочным и прочным становится МОП-транзистор. Следовательно, более высокий лавинный рейтинг означает более сильные характеристики MOSFET.

В большинстве таблиц данных по полевым транзисторам параметр лавины обычно включается в таблицу абсолютных максимальных оценок, которую можно найти прямо на странице ввода в листе данных. В частности, вы можете просмотреть здесь параметры, записанные как Avalanche Current и Avalanche Energy, Eas.

“как построить генератор бесплатной энергии ”

Следовательно, в технических данных MOSFET Avalanche Energy представлена как количество энергии, которое МОП-транзистор может выдержать, когда он подвергается лавинным испытаниям или когда превышается максимальное номинальное напряжение пробоя МОП-транзистора.

Лавинное течение и СИЮ

Это максимальное номинальное напряжение пробоя определяется с помощью теста лавинного тока, который выполняется с помощью теста индуктивного переключения без фиксации или теста UIS.

Следовательно, когда инженеры обсуждают течение UIS, они могут иметь в виду лавинное течение.

Испытание на индуктивное переключение без фиксации выполняется для определения силы тока и, следовательно, энергии лавины, которая может вызвать отказ полевого МОП-транзистора.

Как упоминалось ранее, эти величины или рейтинги в значительной степени зависят от спецификаций тестирования, в частности, номинала индуктора, применяемого во время теста.

Испытательная установка

На следующей схеме показана стандартная испытательная схема UIS.

Таким образом, мы видим источник напряжения, включенный последовательно с индуктором L, который также включен последовательно с тестируемым полевым МОП-транзистором. Мы также можем увидеть драйвер затвора для полевого транзистора, выход которого включен последовательно с резистором затвора полевого транзистора R.

На изображении ниже мы видим устройство контроллера LTC55140, которое используется в лаборатории Texas Instrument для оценки характеристик UIS полевого транзистора.

Впоследствии характеристика UIS помогает не только узнать рейтинг полевого транзистора, но и значение, используемое для сканирования полевого транзистора в заключительной процедуре тестирования.

Инструмент позволяет изменять значение индуктивности нагрузки от 0,2 до 160 миллигенри. Он позволяет регулировать напряжение стока тестируемого полевого МОП-транзистора от 10 до 150 вольт.

В результате это позволяет экранировать даже те полевые транзисторы, которые рассчитаны на работу с пробивным напряжением всего 100 В. И становится возможным применение токов стока от 0,1 до 200 ампер. И это диапазон тока UIS, который может выдержать полевой транзистор во время процедуры тестирования.

Дополнительно инструмент позволяет устанавливать различные диапазоны температур корпуса полевого МОП-транзистора от -55 до +150 градусов.

Процедуры тестирования

Стандартный тест UIS проходит в 4 этапа, как показано на следующем рисунке:

Первый этап состоит из предварительного испытания на утечку, в котором напряжение питания смещает сток полевого транзистора. По сути, идея здесь состоит в том, чтобы попытаться обеспечить нормальную работу полевого транзистора.

Таким образом, на первом этапе полевой транзистор остается выключенным. Он поддерживает блокировку напряжения питания на клеммах daim-эмиттера, не испытывая чрезмерного тока утечки, протекающего через него.

На втором этапе, который известен как нарастание лавинного тока, полевой транзистор включается, что вызывает падение напряжения его стока. Это приводит к постепенному увеличению тока через индуктор с постоянным di / dt. Таким образом, на этом этапе индуктивность заряжается.

На третьем этапе проводятся фактические лавинные испытания, когда полевой транзистор практически подвергается сходу лавины. На этом этапе полевой транзистор выключается путем устранения смещения затвора. Это приводит к тому, что через катушку индуктивности проходит массивный di / dt, в результате чего напряжение стока полевого транзистора резко превышает предел напряжения пробоя полевого транзистора.

Это вынуждает полевой транзистор пройти лавинный выброс. В этом процессе полевой транзистор поглощает всю энергию, генерируемую катушкой индуктивности, и остается отключенным до тех пор, пока не будет выполнен 4-й этап, включающий проверку на утечку.

На этом 4-м этапе полевой транзистор снова подвергается повторному лавинному тесту, чтобы убедиться, что полевой МОП-транзистор по-прежнему ведет себя нормально или нет. Если да, то считается, что полевой транзистор выдержал лавинное испытание.

Затем полевой транзистор должен пройти вышеупомянутый тест еще много раз, при этом уровень напряжения UIS постепенно увеличивается с каждым тестом, пока не будет достигнут уровень, при котором полевой МОП-транзистор не сможет выдержать и не пройдет тест на утечку. И этот текущий уровень отмечен как максимальная способность выдерживать ток UIS MOSFET.

Расчет лавинной энергии MOSFET

Как только достигается максимальная пропускная способность МОП-транзистора по току UIS, при которой устройство выходит из строя, инженерам становится намного легче оценить количество энергии, рассеиваемой через полевой транзистор во время лавинообразного процесса.

Если предположить, что вся энергия, запасенная в катушке индуктивности, была рассеяна в полевом МОП-транзисторе во время лавины, эту величину энергии можно определить с помощью следующей формулы:

ЯВЛЯЕТСЯ_{В КАЧЕСТВЕ}= 1 / 2L x I_ИЗ^два

ЯВЛЯЕТСЯ_{В КАЧЕСТВЕ}дает нам величину энергии, хранящейся внутри катушки индуктивности, которая равна 50% значения индуктивности, умноженного на квадрат тока, протекающего через катушку индуктивности.

Далее было замечено, что по мере увеличения значения индуктивности величина тока, которая была ответственна за пробой полевого МОП-транзистора, фактически уменьшалась.

Однако это увеличение размера индуктора фактически компенсирует это уменьшение тока в приведенной выше формуле энергии таким образом, что значение энергии буквально увеличивается.

Лавинная энергия или лавинное течение?

Это два параметра, которые могут ввести потребителей в заблуждение при проверке таблицы данных MOSFET на предмет лавинной защиты.

Многие производители полевых МОП-транзисторов намеренно тестируют полевые МОП-транзисторы с более крупными катушками индуктивности, чтобы они могли похвастаться большей величиной лавинной энергии, создавая впечатление, что полевой МОП-транзистор испытан на устойчивость к огромным лавинным энергиям и, следовательно, имеет повышенную устойчивость к лавинам.

Но вышеупомянутый метод использования большего индуктора выглядит обманчивым, именно поэтому инженеры Texas Instruments тестируют с меньшей индуктивностью порядка 0,1 мГн, так что тестируемый MOSFET подвергается более высокому току лавины и экстремальным уровням напряжения пробоя.

Таким образом, в таблицах данных, это не энергия лавины, а скорее лавинный ток, который должен быть больше по количеству, что показывает лучшую надежность MOSFET.

Это делает окончательное тестирование очень строгим и позволяет отфильтровать как можно больше более слабых полевых МОП-транзисторов.

Это тестовое значение не только используется в качестве окончательного значения перед передачей макета полевого транзистора в производство, но это также значение, которое вводится в таблицу.

На следующем этапе вышеуказанное тестовое значение снижается на 65%, так что конечный пользователь может получить более широкий допуск для своих полевых МОП-транзисторов.

Так, например, если испытанный лавинный ток составлял 125 ампер, окончательное значение, введенное в таблицу, будет 81 ампер после снижения номинальных значений.

MOSFET лавинный ток в зависимости от времени, проведенного в лавине

Другой параметр, который связан с силовым MOSFET и упоминается в таблицах данных, особенно для MOSFET, предназначенных для коммутационных приложений, - это зависимость тока лавины от времени, проведенного в лавине. Этот параметр обычно отображается относительно температуры корпуса полевого МОП-транзистора на уровне 25 градусов. Во время тестирования температура корпуса увеличена до 125 градусов.

В этой ситуации температура корпуса полевого МОП-транзистора очень близка к фактической температуре перехода кремниевого кристалла полевого МОП-транзистора.

В этой процедуре, когда температура перехода устройства повышается, вы можете ожидать увидеть определенное ухудшение характеристик, что вполне нормально? Однако, если результат показывает высокий уровень деградации, это может указывать на признаки изначально слабого устройства MOSFET.

Поэтому с точки зрения конструкции делается попытка обеспечить, чтобы деградация не превышала 30% при повышении температуры корпуса с 25 до 125 градусов.

Как защитить полевой МОП-транзистор от лавинного течения

Как мы узнали из вышеупомянутых обсуждений, лавина в полевых МОП-транзисторах возникает из-за индуктивного переключения обратной ЭДС высокого напряжения через внутренний диод полевого МОП-транзистора.

Если это напряжение обратной ЭДС превышает максимальное значение внутреннего диода, это вызывает сильное тепловыделение в устройстве и последующее повреждение.

Это означает, что если позволить индуктивному напряжению ЭДС проходить через внешний байпасный диод подходящего номинала, то через сток-эмиттер полевого транзистора может помочь предотвратить явление лавины.

На следующей схеме предлагается стандартная конструкция с добавлением внешнего диода сток-эмиттер для усиления внутреннего диода корпуса полевого МОП-транзистора.