In dit bericht bespreken we MOSFET-lawineclassificaties en leren we hoe u deze classificatie in het gegevensblad correct kunt begrijpen, hoe de parameter wordt getest door de fabrikant en maatregelen om MOSFET's tegen dit fenomeen te beschermen.

De lawineparameter helpt niet alleen om de robuustheid van het apparaat te verifiëren, het helpt ook om zwakkere MOSFET's uit te filteren of degene die gevoeliger zijn of het risico lopen op defecten.

Wat is MOSFET Avalanche Rating

MOSFET-lawineclassificatie is de maximaal toelaatbare energie (millijoule) die een MOSFET kan weerstaan, wanneer de drain-source-spanning de limiet van de maximale doorslagspanning (BVDSS) overschrijdt.

Dit fenomeen treedt normaal gesproken op in MOSFET-schakelcircuits met inductieve belasting over de afvoeraansluiting.

Tijdens de AAN-perioden van de schakelcycli laadt de inductor op, en tijdens de UIT-perioden geeft de inductor zijn opgeslagen energie vrij in de vorm van tegen-EMF over source-drain van de MOSFET.

Deze sperspanning vindt zijn weg door de lichaamsdiode van de MOSFET, en als de waarde de maximaal toelaatbare limiet van het apparaat overschrijdt, veroorzaakt het een intense hitte binnen het apparaat die schade of permanente schade aan het apparaat veroorzaakt.

Wanneer werd MOSFET Avalanche geïntroduceerd

De parameter Avalanche Energy en UIS (unclamped inductive switching) stroom was in feite niet opgenomen in MOSFET-datasheets vóór de jaren tachtig.

En toen evolueerde het niet alleen naar een datasheet-specificatie, maar ook naar een parameter waarvan veel consumenten begonnen te eisen dat de FET werd getest voordat het apparaat werd geproduceerd voor productie, vooral als de MOSFET wordt ontworpen voor stroomtoevoer of schakelimplementaties.

Daarom was het pas na de jaren tachtig dat de lawineparameter in de datasheets begon te verschijnen, en toen begonnen promotietechnici te begrijpen dat hoe groter de lawineclassificatie was, hoe competitiever het apparaat leek te zijn.

De ingenieurs begonnen met het bepalen van technieken om met de parameter te experimenteren door enkele variabelen aan te passen, die werden gebruikt voor het testproces.

Over het algemeen geldt: hoe groter de lawine-energie, hoe duurzamer en sterker de MOSFET wordt. Daarom vertegenwoordigt een grotere lawineclassificatie sterkere MOSFET-kenmerken.

De meeste FET-datasheets hebben normaal gesproken de lawineparameter opgenomen in hun Absolute Maximum Rating Table, die direct op de invoerpagina van het datasheet kan worden gevonden. In het bijzonder kunt u de parameters hier bekijken die zijn geschreven als Avalanche Current en Avalanche Energy, Eas.

“analoog en digitaal circuitontwerp ”

Daarom wordt MOSFET Avalanche Energy in datasheets gepresenteerd als de hoeveelheid energie die de MOSFET kan verdragen terwijl deze wordt onderworpen aan de lawinetest of wanneer de maximale doorslagspanning van de MOSFET wordt overschreden.

Lawinestroom en UIS

Deze maximale doorslagspanning wordt bepaald door middel van de lawinestroomtest, die wordt bereikt door middel van een niet-geklemde inductieve schakeltest of de UIS-test.

Dus wanneer ingenieurs discussiëren over UIS-stroom, kunnen ze verwijzen naar de lawinestroom.

Een niet-geklemde inductieve schakelingstest wordt uitgevoerd om de stroom en daarmee de lawine-energie te bepalen die de MOSFET-storing zou kunnen veroorzaken.

Zoals eerder vermeld, zijn deze grootheden of beoordelingen enorm afhankelijk van de testspecificaties, met name de inductorwaarde die ten tijde van de test werd toegepast.

Test opstelling

Het volgende diagram toont een standaard UIS-testcircuit.

We zien dus een spanningstoevoer in serie met een inductor, L, die ook in serie staat met de MOSFET die wordt getest. We kunnen ook een poortstuurprogramma zien voor de FET waarvan de uitvoer in serie is met een FET-poortweerstand R.

In de onderstaande afbeelding vinden we het LTC55140-controllerapparaat, dat wordt gebruikt in het Texas Instrument-laboratorium om de UIS-kenmerken van de FET te evalueren.

Het UIS-kenmerk helpt vervolgens niet alleen om de FET-datasheetbeoordeling te achterhalen, maar ook de waarde die wordt gebruikt om de FET te scannen in de laatste testprocedure.

Met de tool kan de waarde van de belastinginductor worden aangepast van 0,2 tot 160 millihenries. Hiermee kan de afvoerspanning van de te testen MOSFET worden aangepast van 10 tot 150 volt.

Dit maakt het daardoor mogelijk om zelfs die FET's af te schermen die alleen geschikt zijn voor een doorslagspanning van 100 volt. En het wordt mogelijk om afvoerstromen toe te passen van 0,1 tot 200 ampère. En dit is het UIS-huidige bereik dat de FET mogelijk moet tolereren tijdens de testprocedure.

Bovendien maakt de tool het mogelijk verschillende bereiken van de MOSFET-behuizingstemperatuur in te stellen, van -55 tot +150 graden.

Testprocedures

De standaard UIS-test wordt geïmplementeerd in 4 fasen, zoals geïllustreerd in de volgende afbeelding:

De eerste fase bestaat uit de pre-lektest, waarbij de voedingsspanning de FET-drain vertraagt. In wezen is het idee hier om ervoor te zorgen dat de FET op de normaal verwachte manier werkt.

Dus in de eerste fase wordt de FET uitgeschakeld gehouden. Het houdt de voedingsspanning geblokkeerd over de klemmen van de daim-emitter, zonder enige vorm van overmatige lekstroom die erdoorheen stroomt.

In de tweede fase, die bekend staat als de lawinestroomstijging, wordt de FET ingeschakeld, waardoor de afvoerspanning daalt. Dit heeft tot gevolg dat de stroom geleidelijk toeneemt door de inductor met een constante di / dt. Dus eigenlijk mag de inductor in deze fase worden opgeladen.

In de derde fase wordt de eigenlijke lawineproef uitgevoerd, waarbij de FET praktisch wordt blootgesteld aan de lawine. In deze fase wordt de FET uitgeschakeld door de gate-bias te verwijderen. Dit resulteert in een enorme di / dt die door de inductor gaat, waardoor de FET-afvoerspanning hoog boven de doorslagspanningslimiet van de FET schiet.

Dit dwingt de FET om door de lawine-golf te gaan. In dit proces absorbeert de FET de volledige energie die door de inductor wordt gegenereerd en blijft hij uitgeschakeld totdat de 4e fase is uitgevoerd, met de post-lektest.

In deze 4e fase wordt de FET opnieuw onderworpen aan een herhaalde lawinetest, om er zeker van te zijn of de MOSFET zich nog normaal gedraagt of niet. Is dit het geval, dan wordt de FET geacht de lawinetest te hebben doorstaan.

Vervolgens moet de FET de bovenstaande test vele malen doorlopen, waarbij het UIS-spanningsniveau geleidelijk wordt verhoogd met elke test, tot het niveau waarop de MOSFET niet bestand is tegen de post-lektest en deze niet doorstaat. En dit huidige niveau staat bekend als de maximale UIS-stroombestendige capaciteit van de MOSFET.

MOSFET lawine-energie berekenen

Zodra de maximale UIS-huidige verwerkingscapaciteit van de MOSFET is gerealiseerd, waarbij het apparaat defect raakt, wordt het voor de ingenieurs veel gemakkelijker om de hoeveelheid energie in te schatten die tijdens het lawineproces door de FET wordt gedissipeerd.

Ervan uitgaande dat de volledige energie opgeslagen in de inductor tijdens de lawine in de MOSFET werd gedissipeerd, kan deze energiegrootte worden bepaald met behulp van de volgende formule:

IS_ZOALS= 1 / 2L x I_VAN^twee

IS_ZOALSgeeft ons de omvang van de energie die is opgeslagen in de inductor, die gelijk is aan 50% van de inductantiewaarde vermenigvuldigd met het kwadraat dat door de inductor stroomt.

Verder werd opgemerkt dat naarmate de inductorwaarde werd verhoogd, de hoeveelheid stroom die verantwoordelijk was voor de MOSFET-storing, feitelijk afnam.

Deze toename van de grootte van de inductor compenseert in feite deze stroomafname in de bovenstaande energieformule op een manier dat de energiewaarde letterlijk toeneemt.

Lawine-energie of lawinestroom?

Dit zijn de twee parameters die de consument in verwarring kunnen brengen bij het controleren van een MOSFET-datasheet voor lawineclassificatie.

Veel van de MOSFET-fabrikanten testen de MOSFET opzettelijk met grotere inductoren, zodat ze kunnen bogen op een grotere lawine-energiegrootte, waardoor de indruk wordt gewekt dat de MOSFET is getest op het weerstaan van enorme lawine-energieën, en daarom een verhoogde weerstand tegen lawines heeft.

Maar de bovenstaande methode om een grotere inductor te gebruiken, ziet er misleidend uit, en dat is precies waarom de ingenieurs van Texas Instruments testen met een kleinere inductantie in de orde van 0,1 mH, zodat de te testen MOSFET wordt blootgesteld aan hogere lawinestroom en extreme doorslagspanningen.

In datasheets is het dus niet de lawine-energie, maar eerder de lawinestroom die in kwantiteit groter zou moeten zijn, wat een betere MOSFET-robuustheid vertoont.

Dit maakt de laatste tests zeer streng en maakt het mogelijk om zoveel mogelijk zwakkere MOSFET's uit te filteren.

Deze testwaarde wordt niet alleen gebruikt als de uiteindelijke waarde voordat de FET-layout wordt doorgegeven voor de productie, maar dit is ook de waarde die in de datasheet wordt ingevoerd.

In de volgende stap wordt de bovenstaande testwaarde verlaagd met 65%, zodat de eindgebruiker een grotere tolerantiemarge kan krijgen voor hun MOSFET's.

Dus als de geteste lawinestroom bijvoorbeeld 125 Ampère was, is de uiteindelijke waarde die in het gegevensblad wordt ingevoerd 81 Ampère, na de reductie.

MOSFET-lawinestroom versus tijd doorgebracht in lawine

Een andere parameter die wordt geassocieerd met power MOSFET en genoemd wordt in datasheets, vooral voor de MOSFET's die ontworpen zijn om van applicatie te wisselen, is de Avalanche Current Capability versus Time Spent in Avalanche. Deze parameter wordt normaal weergegeven met betrekking tot de temperatuur van de behuizing van de MOSFET bij 25 graden. Tijdens het testen wordt de kasttemperatuur verhoogd tot 125 graden.

In deze situatie komt de temperatuur van de behuizing van de MOSFET van de MOSFET heel dicht bij de werkelijke junctietemperatuur van de siliciumchip van de MOSFET.

Als in deze procedure de junctietemperatuur van het apparaat wordt verhoogd, kunt u een zekere mate van degradatie verwachten die heel normaal is? Als het resultaat echter een hoge mate van verslechtering vertoont, kan dit wijzen op de tekenen van een inherent zwak MOSFET-apparaat.

Daarom wordt vanuit ontwerpoogpunt getracht ervoor te zorgen dat de degradatie niet meer dan 30% bedraagt voor een verhoging van de kasttemperatuur van 25 naar 125 graden.

Hoe MOSFET te beschermen tegen lawinestroom

Zoals we uit de bovenstaande discussies hebben geleerd, wordt lawine in MOSFET's ontwikkeld als gevolg van hoogspanningsinductieve EMF-omschakeling via de lichaamsdiode van MOSFET.

Als deze tegen-EMF-spanning de maximale waarde van de lichaamsdiode overschrijdt, veroorzaakt dit extreme warmteontwikkeling in het apparaat en daaropvolgende schade.

Dit houdt in dat als de inductieve EMF-spanning door een externe geschikte bypass-diode gaat, over de afvoer-emitter van de FET het lawineverschijnsel kan helpen voorkomen.

Het volgende diagram suggereert het standaardontwerp van het toevoegen van een externe afvoer-emitterdiode voor het versterken van de interne lichaamsdiode van de MOSFET.