V tomto príspevku diskutujeme o lavínových hodnoteniach MOSFET a naučíme sa, ako správne porozumieť tomuto hodnoteniu v údajovom liste, ako výrobca testuje parameter a aké sú opatrenia na ochranu MOSFET pred týmto javom.

Lavínový parameter pomáha nielen overiť odolnosť zariadení, ale tiež pomáha odfiltrovať slabšie MOSFETy alebo tie, ktoré sú náchylnejšie alebo môžu obsahovať poruchu.

Čo je MOSFET Avalanche Rating

Lavínové hodnotenie MOSFET je maximálna prípustná energia (milijoule), ktorú MOSFET vydrží, keď napätie jeho odtokového zdroja prekročí hranicu maximálneho prierazného napätia (BVDSS).

Tento jav sa bežne vyskytuje v spínacích obvodoch MOSFET s indukčným zaťažením cez odtokovú svorku.

Počas období zapínania spínacích cyklov sa induktor nabíja a počas období vypínania induktor uvoľňuje svoju uloženú energiu vo forme spätného EMF cez odtok zdroja MOSFET.

Toto reverzné napätie si nájde cestu cez diódu tela MOSFET a ak jeho hodnota prekročí maximálny tolerovateľný limit zariadenia, spôsobí v ňom intenzívne teplo, ktoré spôsobí poškodenie alebo trvalé poškodenie zariadenia.

Kedy bola predstavená lavína MOSFET

Parameter Lavínová energia a prúd UIS (uvoľnené indukčné spínanie) nebol v skutočnosti zahrnutý v údajových listoch MOSFET pred 80. rokmi.

A vtedy sa vyvinul nielen v špecifikáciu údajového listu, ale aj v parameter, ktorý mnohí spotrebitelia začali požadovať, aby bol FET testovaný pred odovzdaním zariadenia do výroby, najmä ak je MOSFET navrhnutý na napájanie alebo prepínanie implementácií.

Preto sa až v 80. rokoch začal v údajových listoch objavovať parameter lavíny a potom technici propagácie začali chápať, že čím väčšie je lavínové hodnotenie, tým viac sa zariadenie javilo byť konkurencieschopnejšie.

Inžinieri začali určovať techniky experimentovania s parametrom vylepšením niekoľkých jeho premenných, ktoré sa použili na testovací proces.

Všeobecne povedané, čím väčšia je lavínová energia, tým odolnejšia a silnejšia sa z MOSFETu stane. Preto väčšie lavínové hodnotenie predstavuje silnejšie charakteristiky MOSFET.

Väčšina údajových listov FET bude mať štandardne parameter lavíny zahrnutý v tabuľke absolútnych maximálnych hodnotení, ktorú nájdete priamo na vstupnej stránke údajového listu. Tu si môžete pozrieť najmä parametre napísané ako Lavínový prúd a Lavínová energia, Ľahko.

“čo je spojovací kondenzátor ”

Preto sa v údajových listoch MOSFET Avalanche Energy uvádza množstvo energie, ktoré je MOSFET schopný tolerovať, keď je vystavený lavínovému testu, alebo keď dôjde k prekročeniu maximálneho prierazného napätia MOSFET.

Lavínový prúd a UIS

Táto maximálna hodnota prierazného napätia sa určuje pomocou testu lavínového prúdu, ktorý sa dosahuje testom Unclamped Inductive Switching alebo testom UIS.

Preto keď inžinieri diskutujú o prúde UIS, môžu mať na mysli Avalanche Current.

Vykoná sa test Unclamped Inductive Switching, aby sa zistil prúd a tým pádom lavínová energia, ktorá by mohla spustiť poruchu MOSFET.

Ako už bolo spomenuté vyššie, tieto veličiny alebo hodnotenie sú veľmi závislé od špecifikácií testovania, najmä od hodnoty induktora použitej v čase testu.

Nastaviť test

Nasledujúca schéma zobrazuje štandardné nastavenie testovacieho obvodu UIS.

Vidíme teda napájací zdroj v sérii s induktorom L, ktorý je tiež v sérii s testovaným MOSFET. Môžeme tiež vidieť ovládač hradla pre FET, ktorého výstup je v sérii s rezistorom R brány FET.

Na nasledujúcom obrázku nájdeme riadiace zariadenie LTC55140, ktoré sa používa v laboratóriu Texas Instrument na hodnotenie UIS charakteristík FET.

Charakteristika UIS následne pomáha nielen zistiť hodnotenie údajového listu FET, ale aj hodnotu použitú na skenovanie FET v záverečnom testovacom postupe.

Tento nástroj umožňuje doladiť hodnotu induktora záťaže od 0,2 do 160 mil. Umožňuje nastavenie odtokového napätia testovaného MOSFETu od 10 do 150 voltov.

To vo výsledku umožňuje vykonať skríning aj tých FET, ktoré sú dimenzované tak, aby zvládli poruchové napätie iba 100 voltov. A je možné použiť odtokové prúdy od 0,1 do 200 ampérov. A toto je prúdový rozsah UIS, ktorý môže FET tolerovať počas testovacieho postupu.

Ďalej nástroj umožňuje nastavenie rôznych rozsahov teplôt prípadu MOSFET od -55 do +150 stupňov.

Postupy testovania

Štandardný test UIS sa implementuje do 4 fáz, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Prvá etapa spočíva v skúške pred únikom, pri ktorej napájacie napätie ovplyvní odtok FET. V zásade ide o to, pokúsiť sa zabezpečiť, aby FET fungoval normálnym očakávaným spôsobom.

V prvej fáze je teda FET držaný vypnutý. Udržuje blokované napájacie napätie na svorkách zosilňovača stmievania bez toho, aby cez ne pretekal akýkoľvek nadmerný zvodový prúd.

V druhom stupni, ktorý je známy ako nábeh lavínového prúdu, sa zapne FET, čo spôsobí pokles jeho odtokového napätia. To vedie k tomu, že prúd postupne rastie cez induktor s konštantnou di / dt. Takže v zásade v tejto fáze sa induktor môže nabíjať.

V tretej etape sa vykoná skutočná lavínová skúška, pri ktorej je FET lavíne prakticky vystavený. V tejto fáze je FET vypnutý odstránením predpätia brány. To vedie k obrovskému prechodu di / dt cez induktor, čo spôsobí, že vypúšťacie napätie FET vystrelí vysoko nad hranicu prierazného napätia FET.

To prinúti FET prejsť lavínovým nárazom. V tomto procese FET absorbuje celú energiu generovanú induktorom a zostáva vypnutý, kým sa nevykoná 4. stupeň, vrátane testu po úniku.

V tejto štvrtej etape je FET opäť podrobený opakovanému lavínovému testu, len aby ste si boli istí, či sa MOSFET stále správa normálne alebo nie. Ak áno, potom sa FET považuje za test, ktorý prepadol lavíne.

Ďalej musí FET mnohokrát prejsť vyššie uvedeným testom, pri ktorom sa úroveň napätia UIS s každým testom postupne zvyšuje, až kým nedosiahne úroveň, na ktorej MOSFET nie je schopný odolať a nevyhovie testu po úniku. A táto súčasná úroveň je považovaná za maximálnu schopnosť odolávať prúdu UIS MOSFET.

Výpočet lavínovej energie MOSFET

Akonáhle je dosiahnutá maximálna kapacita spracovania súčasného UIS MOSFETu, pri ktorej sa zariadenie pokazí, je pre technikov oveľa jednoduchšie odhadnúť množstvo energie, ktorá sa rozptýli cez FET počas lavínového procesu.

Za predpokladu, že celá energia uložená v induktore bola počas lavíny rozptýlená do MOSFET, je možné túto veľkosť energie určiť pomocou nasledujúceho vzorca:

JE_AS= 1 / 2L x I_OF^dva

JE_ASnám dáva veľkosť energie uloženej vo vnútri induktora, ktorá sa rovná 50% hodnoty indukčnosti vynásobenej štvorcovým prúdom pretekajúcim induktorom.

Ďalej sa pozorovalo, že s nárastom hodnoty induktora sa skutočne znížilo množstvo prúdu zodpovedného za poruchu MOSFET.

Toto zvýšenie veľkosti induktora však v skutočnosti kompenzuje toto zníženie prúdu vo vyššie uvedenom energetickom vzorci takým spôsobom, že sa energetická hodnota doslova zvyšuje.

Lavínová energia alebo lavínový prúd?

Toto sú dva parametre, ktoré môžu spotrebiteľa zmiasť, zatiaľ čo pri kontrole lavínového hodnotenia v údajovom liste MOSFET.

Mnoho výrobcov MOSFET zámerne testuje MOSFET s väčšími tlmivkami, aby sa mohli pochváliť väčšou veľkosťou lavínovej energie, čo vytvára dojem, že MOSFET je testovaný na odolnosť voči veľkým lavínovým energiám, a preto má zvýšenú odolnosť voči lavíne.

Ale vyššie uvedená metóda použitia väčšieho induktora vyzerá zavádzajúco, práve preto inžinieri spoločnosti Texas Instruments testujú s menšou indukčnosťou rádovo 0,1 mH, takže testovaný MOSFET je vystavený vyšším lavínovým prúdom a extrémnym úrovniam stresu pri poruche.

Takže v údajových listoch to nie je lavínová energia, ale skôr lavínový prúd, ktorý by mal byť väčší čo do množstva, čo vykazuje lepšiu odolnosť MOSFET.

Toto robí záverečné testovanie veľmi prísnym a umožňuje odfiltrovať čo najviac slabších MOSFETov.

Táto testovacia hodnota sa nepoužíva iba ako konečná hodnota pred odovzdaním rozloženia FET pre výrobu, ale toto je tiež hodnota, ktorá sa zapíše do údajového listu.

V nasledujúcom kroku je vyššie uvedená testovaná hodnota znížená o 65%, takže koncový užívateľ dokáže získať širší rozsah tolerancie pre svoje MOSFETy.

Napríklad, ak bol testovaný lavínový prúd 125 A, konečná hodnota, ktorá je uvedená v údajovom liste, je 81 Amp, po znížení výkonu.

MOSFET Lavínový prúd vs čas strávený v lavíne

Ďalším parametrom, ktorý je spojený s výkonovým MOSFET a je uvedený v údajových listoch, najmä pre MOSFET určené na prepínanie aplikácií, je Avalanche Current Capability versus Time strávený v Avalanche. Tento parameter sa zvyčajne zobrazuje vzhľadom na teplotu prípadu MOSFET pri 25 stupňoch. Počas testovania sa teplota puzdra zvýšila na 125 stupňov.

V tejto situácii sa teplota prípadu MOSFETu MOSFET veľmi blíži skutočnej spojovacej teplote kremíkovej matrice MOSFET.

Pri tomto postupe, keď sa zvýši teplota spoja zariadenia, môžete očakávať určitú degradáciu, ktorá je celkom normálna? Ak však výsledok ukazuje vysokú úroveň degradácie, môže to znamenať príznaky inherentne slabého zariadenia MOSFET.

Preto sa z konštrukčného hľadiska pokúša zabezpečiť, aby degradácia neprekročila viac ako 30% pri zvýšení teploty v prípade od 25 do 125 stupňov.

Ako chrániť MOSFET pred lavínovým prúdom

Ako sme sa dozvedeli z vyššie uvedených diskusií, lavína v MOSFEToch sa vyvíja v dôsledku prepínania vysokonapäťového indukčného spätného EMF cez telesnú diódu MOSFET.

Ak toto spätné EMF napätie prekročí maximálnu hodnotu diódy tela, spôsobí to extrémnu tvorbu tepla v prístroji a následné poškodenie.

To znamená, že ak sa nechá indukčné napätie EMF prechádzať externou vhodne dimenzovanou obtokovou diódou, cez odtokový vysielač FET môže pomôcť zabrániť lavínovému javu.

Nasledujúci diagram naznačuje štandardný dizajn pridania externej diódy odtoku a vysielača na vystuženie vnútornej diódy tela MOSFET.