I det här inlägget diskuterar vi MOSFET-lavinbetyg och lär oss att förstå detta betyg i databladet korrekt, hur parametern testas av tillverkaren och åtgärder för att skydda MOSFET från detta fenomen.

Lavinparametern hjälper inte bara till att verifiera enheternas robusthet, det hjälper också till att filtrera bort svagare MOSFETs eller de som är mer mottagliga eller riskerar att gå sönder.

Vad är MOSFET Avalanche Rating

MOSFET-lavinvärde är den maximalt tolerabla energin (millijoule) som en MOSFET kan motstå när dess avloppskällspänning överstiger gränsen för maximal nedbrytningsspänning (BVDSS).

Detta fenomen förekommer normalt i MOSFET-omkopplingskretsar med induktiv belastning över avloppsterminalen.

Under PÅ-perioderna för omkopplingscyklerna laddar induktorn, och under AV-perioderna frigör induktorn sin lagrade energi i form av tillbaka-EMF över MOSFETs källtömning.

Denna omvänd spänning hittar sin väg genom MOSFETs kroppsdiod, och om dess värde överstiger enhetens maximala toleranta gräns, orsakar intensiv värme att utvecklas inuti enheten och orsakar skada eller permanent skada på enheten.

När introducerades MOSFET Avalanche

Parametern Avalanche Energy och UIS (oklämd induktiv omkoppling) var faktiskt inte inkluderad i MOSFET-datablad före 1980-talet.

Och det var då det inte bara utvecklades till en databladspecifikation utan till en parameter som många konsumenter började kräva att FET skulle testas innan de skickade enheten för produktion, särskilt om MOSFET är utformad för strömförsörjning eller växlingsimplementeringar.

Därför var det först efter 1980-talet som lavinparametern började visas i databladet, och sedan började marknadsföringstekniker förstå att ju högre lavinbetyget var, desto mer konkurrenskraftigt verkade enheten vara.

Ingenjörerna började bestämma tekniker för att experimentera med parametern genom att finjustera några av dess variabler, som användes för testprocessen.

Generellt sett, ju större lavinergin desto mer hållbar och stark blir MOSFET. Därför representerar högre lavinbetyg starkare MOSFET-egenskaper.

I de flesta FET-datablad finns lavinparametern inkluderad i tabellen Absoluta maximala betyg, som kan hittas direkt på ingångssidan i databladet. Speciellt kan du se parametrarna här skrivna som lavinström och lavinergi, lätt.

“hur fungerar en hiss ”

Därför presenteras MOSFET Avalanche Energy i datablad som den kvantitet energi som MOSFET kan tolerera medan den utsätts för lavintest, eller när MOSFET: s maximala nedbrytningsspänning är korsad.

Lavinström och UIS

Denna maximala nedbrytningsspänning bestäms genom lavinströmstestet, vilket utförs genom ett icke-klämt induktivt omkopplingstest eller UIS-testet.

Därför när ingenjörer diskuterar om UIS-ström kan de hänvisa till lavinströmmen.

Ett oklämt induktivt omkopplingstest utförs för att räkna ut strömmen och därmed lavinergin som kan utlösa MOSFET-felet.

Som tidigare nämnts är dessa storheter eller betyg enormt beroende av testspecifikationer, särskilt det induktansvärde som tillämpades vid tidpunkten för testet.

Testuppsättning

Följande diagram visar en standardinställning för UIS-testkrets.

Således ser vi en spänningsförsörjning i serie med en induktor, L, som också är i serie med MOSFET som testas. Vi kan också se en grinddrivare för FET vars utgång är i serie med ett FET-grindmotstånd R.

I bilden nedan hittar vi LTC55140-kontrollenheten, som används i Texas Instrument lab för att utvärdera UIS-egenskaperna hos FET.

UIS-karakteristiken hjälper därefter inte bara att ta reda på FET-databladbetyget, utan också det värde som används för att skanna FET i det slutliga testförfarandet.

Verktyget tillåter justering av lastinduktansvärdet från 0,2 till 160 millihenries. Det möjliggör justering av avloppsspänningen för MOSFET som testas från 10 till 150 volt.

Detta gör det som ett resultat möjligt att screena även de FET-värden som är klassade för att hantera endast 100 volts nedbrytningsspänning. Och det blir möjligt att applicera dräneringsströmmar från 0,1 till 200 ampere. Och detta är UIS-strömområdet som FET kan behöva tolerera under testproceduren.

Dessutom tillåter verktyget att ställa in olika intervall för MOSFET-fodralets temperaturer, från -55 till +150 grader.

Testförfaranden

Standard-UIS-testet implementeras genom fyra steg, som illustreras i följande bild:

Det första steget består av förläckagetestet, där matningsspänningen förspänner FET-avloppet. I grund och botten är idén här att försöka se till att FET fungerar på det normalt förväntade sättet.

I det första steget hålls således FET avstängd. Det håller matningsspänningen blockerad över daim-emitterterminalerna, utan att uppleva någon form av överdriven läckström som flyter genom den.

I det andra steget, som kallas Avalanche Current ramp upp, slås FET PÅ, vilket gör att dess avloppsspänning sjunker. Detta resulterar i att strömmen ökar gradvis genom induktorn med en konstant di / dt. Så i grund och botten i detta skede får induktorn ladda upp.

I det tredje steget genomförs det faktiska lavintestet, där FET praktiskt taget utsätts för lavinen. I det här steget stängs FET av genom att ta bort dess grindförspänning. Detta resulterar i en massiv di / dt som kommer igenom induktorn, vilket får FET-avloppsspänningen att skjuta högt över gränsen för nedbrytningsspänning för FET.

Detta tvingar FET att gå igenom lavinflödet. I denna process absorberar FET hela energin som genereras av induktorn och förblir avstängd tills det fjärde steget utförs, vilket involverar efterläckagetestet

I det här fjärde steget utsätts FET återigen för ett upprepat lavintest, bara för att vara säker på om MOSFET fortfarande fungerar normalt eller inte. Om den gör det, anses FET ha klarat lavintestet.

Därefter måste FET gå igenom ovanstående test många gånger, varvid UIS-spänningsnivån gradvis ökas för varje test, tills nivån där MOSFET inte klarar och misslyckas efter läckagetestet. Och den nuvarande nivån noteras vara MOSFETs maximala UIS-strömtåliga kapacitet.

Beräkning av MOSFET Avalanche Energy

När den maximala UIS-strömhanteringskapaciteten för MOSFET har uppnåtts, vid vilken enheten bryts ner, blir det mycket lättare för ingenjörerna att uppskatta mängden energi som släpps ut genom FET under lavinprocessen.

Förutsatt att hela energin som lagrats i induktorn avleddes i MOSFET under lavinen, kan denna energimått bestämmas med följande formel:

ÄR_SOM= 1 / 2L x I_AV^två

ÄR_SOMger oss storleken på den energi som är lagrad inuti induktorn, vilket är lika med 50% av induktansvärdet multiplicerat med strömmen i kvadrat och strömmar genom induktorn.

Vidare observerades att när induktansvärdet ökade minskade faktiskt mängden ström som var ansvarig för MOSFET-nedbrytningen.

Denna ökning av induktorns storlek kompenserar faktiskt denna minskning av strömmen i ovanstående energiformel på ett sätt som energivärdet bokstavligen ökar.

Lavin energi eller lavin ström?

Det här är de två parametrarna som kan förvirra konsumenterna medan man kontrollerar ett MOSFET-datablad för lavinbetyg.

Många av MOSFET-tillverkarna testar avsiktligt MOSFET med större induktorer, så att de kan skryta med en större lavinergi, vilket skapar ett intryck av att MOSFET testas för att motstå enorma lavinergier och därför har en ökad hållbarhet mot lavin.

Men ovanstående metod för att använda större induktor ser vilseledande ut, det är exakt varför Texas Instruments ingenjörer testar med mindre induktans i storleksordningen 0,1 mH, så att MOSFET som testas utsätts för högre lavinström och extrema nedbrytningsstressnivåer.

Så i datablad är det inte Avalanche-energin, utan Avalanche-strömmen som borde vara större i kvantitet, vilket visar bättre MOSFET-robusthet.

Detta gör den slutliga testningen mycket sträng och möjliggör filtrering av så många svagare MOSFET som möjligt.

Detta testvärde används inte bara som slutvärdet innan FET-layouten skickas för produktionen, utan det är också det värde som anges i databladet.

I nästa steg minskas ovanstående testvärde med 65%, så att slutanvändaren kan få en större toleransmarginal för sina MOSFET.

Så till exempel, om den testade lavinströmmen var 125 ampere, är det slutliga värdet som matas in i databladet 81 Amp, efter nedgången.

MOSFET Avalanche Current vs Time Spent in Avalanche

En annan parameter som är associerad med kraft-MOSFET och nämns i datablad, särskilt för MOSFET: er som är utformade för att byta applikationer är Avalanche Current Capability versus Time Spent in Avalanche. Denna parameter visas normalt med avseende på MOSFET: s fallstemperatur vid 25 grader. Under testet höjs falltemperaturen till 125 grader.

I denna situation kommer MOSFET: s fallstemperatur för MOSFET mycket nära den faktiska korsningstemperaturen för MOSFET: s kiselform.

I det här förfarandet när enhetens övergångstemperatur ökar kan du förvänta dig att se en viss nedbrytning som är helt normal? Om resultatet visar en hög nedbrytningsnivå kan det dock indikera tecken på en i sig svag MOSFET-enhet.

Ur ett designperspektiv görs därför ett försök att se till att nedbrytningen inte överstiger 30% för en ökning av falltemperaturen från 25 till 125 grader.

Hur man skyddar MOSFET från lavinström

Som vi lärde oss av ovanstående diskussioner utvecklas lavin i MOSFET på grund av högspänningsinduktiv EMF-omkoppling genom MOSFETs kroppsdiod.

Om denna bakre EMF-spänning överstiger kroppsdiodens maximala värde, orsakar extrem värmeproduktion i enheten och därmed skador.

Detta innebär att om den induktiva EMF-spänningen tillåts passera genom en extern passande bypassdiod, kan FETs avloppsgivare hjälpa till att avvärja lavinfenomenet.

Följande diagram föreslår standardkonstruktionen för att lägga till en extern avloppsemitterdiod för att förstärka MOSFETs inre kroppsdiod.