I dette innlegget diskuterer vi MOSFET-skredvurderinger, og lærer hvordan vi skal forstå denne vurderingen i databladet riktig, hvordan parameteren testes av produsenten, og tiltak for å beskytte MOSFET fra dette fenomenet.

Skredparameteren hjelper ikke bare med å verifisere enhetens robusthet, det hjelper i tillegg til å filtrere ut svakere MOSFET-er eller de som er mer utsatt eller i fare for sammenbrudd.

Hva er MOSFET Avalanche Rating

MOSFET-skredvurdering er den maksimale tålbare energien (millijoule) en MOSFET tåler når avløpskildespenningen overstiger grensen for maksimal nedbrytningsspenning (BVDSS).

Dette fenomenet forekommer normalt i MOSFET-bryterkretser med induktiv belastning over avløpsterminalen.

Under PÅ-periodene for koblingssyklusene lades induktoren, og i AV-periodene frigjør induktoren sin lagrede energi i form av tilbake-EMF over kildedrenering av MOSFET.

Denne omvendte spenningen finner veien gjennom MOSFETs kroppsdiode, og hvis verdien overstiger enhetens maksimale tålegrense, forårsaker det at det utvikles intens varme i enheten og forårsaker skade eller permanent skade på enheten.

Når ble MOSFET Avalanche introdusert

Parameteren Avalanche Energy og UIS (ikke-klemmet induktiv svitsj) strøm var faktisk ikke inkludert i MOSFET-datablad før 1980-tallet.

Og det var da den utviklet seg til ikke bare en databladspesifikasjon, men en parameter som mange forbrukere begynte å kreve at FET ble testet før de sendte enheten for produksjon, spesielt hvis MOSFET er designet for strømforsyning eller bytteimplementering.

Derfor var det først etter 1980-tallet at skredparameteren begynte å vises i databladene, og da begynte promoteringsteknikere å forstå at jo større skredvurderingen var, desto mer konkurransedyktig syntes enheten å være.

Ingeniørene begynte å bestemme teknikker for å eksperimentere med parameteren ved å tilpasse noen av variablene, som ble brukt til testprosessen.

Generelt, jo større skredsenergi, jo mer holdbar og sterk blir MOSFET til. Derfor representerer større skredvurdering sterkere MOSFET-egenskaper.

De fleste FET-datablad vil normalt ha skredparameteren inkludert i tabellen Absolute Maximum Ratings, som du finner direkte på inngangssiden til databladet. Spesielt kan du se parametrene her skrevet som lavinestrøm og lavinergi, lett.

“elektrisk enfase vs trefase ”

Derfor presenteres MOSFET Avalanche Energy i datablad som mengden energi MOSFET tåler mens den blir utsatt for skredtesten, eller når MOSFETs maksimale spenningsgrad blir krysset.

Skredstrøm og UIS

Denne maksimale spenningsverdien for sammenbrudd bestemmes gjennom lavinestrømstesten, som oppnås gjennom en ikke-klemmet induktiv koblingstest eller UIS-testen.

Derfor når ingeniører diskuterer UIS-strøm, kan de referere til lavinestrømmen.

En ikke-klemmet induktiv svitsjetest utføres for å finne ut strømmen og derved skredenergien som kan utløse MOSFET-svikt.

Som nevnt tidligere er disse størrelsene eller rangeringene avhengige av testspesifikasjoner, spesielt induktorverdien som ble brukt på tidspunktet for testen.

Testoppsett

Følgende diagram viser en standard UIS-testkrets satt opp.

Dermed ser vi en spenningsforsyning i serie med en induktor, L, som også er i serie med MOSFET under test. Vi kan også se en gate driver for FET hvis utgang er i serie med en FET gate motstand R.

I bildet nedenfor finner vi LTC55140-kontrollerenheten, som brukes i Texas Instrument lab for å evaluere UIS-egenskapene til FET.

UIS-karakteristikken hjelper deretter ikke bare å finne ut FET-databladet, men også verdien som brukes til å skanne FET i den endelige testprosedyren.

Verktøyet gjør det mulig å tilpasse lastinduktorverdien fra 0,2 til 160 millihenries. Det tillater justering av avløpsspenningen til MOSFET som testes fra 10 til 150 volt.

Dette gjør det mulig å skjerme selv de FET-ene som er klassifisert for å håndtere bare 100 volt sammenbruddsspenning. Og det blir mulig å bruke avløpsstrømmer fra 0,1 til 200 ampere. Og dette er UIS nåværende område som FET kanskje må tåle under testprosedyren.

I tillegg tillater verktøyet å angi forskjellige områder av MOSFET-sakstemperaturene, fra -55 til +150 grader.

Testprosedyrer

Standard UIS-testen implementeres gjennom fire trinn, som illustrert i følgende bilde:

Den første fasen består av førlekkasje-testen, der forsyningsspenningen forstyrrer FET-avløpet. I utgangspunktet er ideen her å prøve å sikre at FET fungerer på den forventede måten.

Dermed holdes FET i første fase slått av. Den holder forsyningsspenningen blokkert over daim-emitterterminalene, uten å oppleve noen form for overdreven lekkasjestrøm som strømmer gjennom den.

I det andre trinnet, som er kjent som lavinestrømrampen, slås FET PÅ, noe som får dreneringsspenningen til å falle. Dette resulterer i at strømmen øker gradvis gjennom induktoren med en konstant di / dt. Så i utgangspunktet er det slik at induktoren får ladet opp.

I den tredje fasen gjennomføres den faktiske skredtesten, der FET praktisk talt blir utsatt for skredet. I dette stadiet blir FET slått av ved å fjerne portforstyrrelsen. Dette resulterer i en massiv di / dt som kommer gjennom induktoren, og får FET-avløpsspenningen til å skyte høyt over nedbrytningsspenningsgrensen til FET.

Dette tvinger FET til å gå gjennom skredbølgen. I denne prosessen absorberer FET hele energien som genereres av induktoren, og forblir avstengt til 4. trinn er utført, som involverer etterlekkasje-testen

I dette 4. trinn blir FET igjen utsatt for en gjentatt skredtest, bare for å være sikker på om MOSFET fremdeles oppfører seg normalt eller ikke. Hvis den gjør det, anses FET å ha bestått skredtesten.

Deretter må FET gjennomgå testen ovenfor mange flere ganger, hvor UIS-spenningsnivået økes gradvis for hver test, til nivået der MOSFET ikke klarer å tåle og mislykkes etter lekkasje-testen. Og dette nåværende nivået er kjent for å være MOSFETs maksimale UIS-strømtåleevne.

Beregning av MOSFET Avalanche Energy

Når den maksimale UIS-strømhåndteringskapasiteten til MOSFET er oppnådd, der enheten går i stykker, blir det mye lettere for ingeniørene å estimere energimengden som ledes gjennom FET under skredprosessen.

Forutsatt at hele energien som er lagret i induktoren ble ledet ned i MOSFET under skredet, kan denne energistørrelsen bestemmes ved hjelp av følgende formel:

ER_SOM= 1/2 L x I_AV^to

ER_SOMgir oss størrelsen på energien som er lagret inne i induktoren, som er lik 50% av induktansverdien multiplisert med strømmen i kvadrat, som strømmer gjennom induktoren.

Videre ble det observert at når induktorverdien ble økt, reduserte mengden strøm som var ansvarlig for MOSFET-sammenbruddet.

Imidlertid oppveier denne økningen i induktorstørrelsen denne reduksjonen i strømmen i ovennevnte energiformel på en måte som energiværdien bokstavelig talt øker.

Avalanche Energy eller Avalanche Current?

Dette er de to parametrene som kan forvirre forbrukerne mens du sjekker et MOSFET-datablad for skredvurdering.

Mange av MOSFET-produsentene tester bevisst MOSFET med større induktorer, slik at de er i stand til å skryte av en større skredenergi, noe som skaper et inntrykk av at MOSFET er testet for å tåle enorme skredenergier, og derfor har økt holdbarhet mot skred.

Men den ovennevnte metoden for bruk av større induktor ser misvisende ut, det er nettopp derfor Texas Instruments ingeniører tester med mindre induktans i størrelsesorden 0,1 mH, slik at MOSFET under test blir utsatt for høyere lavinestrøm og ekstreme spenningsnivåer.

Så i datablad er det ikke lavineenergien, snarere skredstrømmen som skal ha større mengde, som viser bedre MOSFET-robusthet.

Dette gjør den endelige testingen svært streng og muliggjør filtrering av så mange svakere MOSFET-er som mulig.

Denne testverdien brukes ikke bare som den endelige verdien før FET-layoutet sendes for produksjonen, men dette er også verdien som legges inn i databladet.

I neste trinn blir den ovennevnte testverdien redusert med 65%, slik at sluttbrukeren er i stand til å få en større toleransemargin for sine MOSFET-er.

Så for eksempel, hvis den testede skredstrømmen var 125 ampere, er den endelige verdien som er angitt i databladet, 81 Ampere etter reduksjonen.

MOSFET Avalanche Current vs Time Spund in Avalanche

En annen parameter som er assosiert med kraft-MOSFET og nevnt i datablad, spesielt for MOSFET-er designet for å bytte applikasjoner, er lavinestrømskapasiteten versus tid brukt i lavine. Denne parameteren vises normalt med hensyn til MOSFETs tilfelle temperatur på 25 grader. Under testingen økes temperaturen til 125 grader.

I denne situasjonen kommer MOSFETs tilfelletemperatur på MOSFET veldig nær den faktiske krysningstemperaturen til MOSFETs silisiumdys.

I denne prosedyren når enhetens overgangstemperatur økes, kan du forvente å se en viss nedbrytning som er ganske normal? Imidlertid, hvis resultatet viser et høyt nedbrytningsnivå, kan det indikere tegn på en iboende svak MOSFET-enhet.

Derfor blir det fra et designperspektiv forsøkt å sikre at nedbrytningen ikke overstiger over 30% for en økning i tilfelle temperatur fra 25 til 125 grader.

Hvordan beskytte MOSFET mot lavinestrøm

Som vi lærte av de ovennevnte diskusjonene, utvikles skred i MOSFET på grunn av høyspent induktiv EMF-omkobling gjennom MOSFETs kroppsdiode.

Hvis denne bakre EMF-spenningen overstiger maksimumsverdien til kroppsdioden, forårsaker ekstrem varmeutvikling i enheten og påfølgende skade.

Dette innebærer at hvis den induktive EMF-spenningen får passere gjennom en ekstern passende bypass-diode, kan FETs avløps-emitter bidra til å avverge skredfenomenet.

Det følgende diagrammet antyder standardutformingen for å legge til en ekstern dreneringsemitterdiode for å forsterke den indre kroppsdioden til MOSFET.