En aquest post discutim les qualificacions d’allaus MOSFET i aprenem a entendre correctament aquesta classificació al full de dades, com el fabricant prova el paràmetre i les mesures per protegir els MOSFET d’aquest fenomen.

El paràmetre d’allau no només ajuda a verificar la robustesa dels dispositius, sinó que també ajuda a filtrar els MOSFET més febles o els que són més susceptibles o amb risc d’avaria.

Què és el MOSFET Avalanche Rating?

La qualificació d’allaus MOSFET és l’energia màxima tolerable (mil·lió) que pot suportar un MOSFET, quan la seva tensió de drenatge supera el límit de tensió màxima de ruptura (BVDSS).

Aquest fenomen es produeix normalment en circuits de commutació MOSFET amb càrrega inductiva a través del terminal de drenatge.

Durant els períodes ON dels cicles de commutació, l’inductor es carrega i, durant els períodes OFF, l’inductor allibera la seva energia emmagatzemada en forma de CEM posterior a través del drenatge font del MOSFET.

Aquest voltatge invers es troba a través del díode corporal del MOSFET i, si el seu valor supera el límit màxim tolerable del dispositiu, es produeix una calor intensa dins del dispositiu que provoca danys o danys permanents al dispositiu.

Quan es va introduir MOSFET Avalanche

El paràmetre Avalanche Energy i UIS (commutació inductiva no modificada) de fet no estava inclòs en les fitxes tècniques MOSFET abans dels anys vuitanta.

I va ser llavors quan va evolucionar no només en una especificació de fulls de dades, sinó en un paràmetre que molts consumidors van començar a exigir que es provés el FET abans de passar el dispositiu a la producció, especialment si el MOSFET està dissenyat per a aplicacions de subministrament o commutació d’energia.

Per tant, només després dels anys vuitanta el paràmetre d’allau va començar a aparèixer als fulls de dades i, després, els tècnics de promoció van començar a entendre que, com més gran era la qualificació d’allaus, més competitiu semblava ser el dispositiu.

Els enginyers van començar a determinar tècniques per experimentar amb el paràmetre modificant algunes de les seves variables, que es van utilitzar per al procés de prova.

En termes generals, com més gran sigui l’energia de l’allau, més durador i fort es converteix en el MOSFET. Per tant, la qualificació d’allaus més gran representa característiques MOSFET més fortes.

La majoria de fulls de dades FET normalment tenen el paràmetre d’allau inclòs a la seva taula de valoracions màximes absolutes, que es pot trobar directament a la pàgina d’entrada del full de dades. Especialment, aquí podeu veure els paràmetres escrits com Avalanche Current i Avalanche Energy, Eas.

“iv característiques del díode d'unió pn ”

Per tant, en els fulls de dades MOSFET Avalanche Energy es presenta com la quantitat d’energia que el MOSFET és capaç de tolerar mentre està sotmès a la prova d’allaus o quan es creua la tensió màxima de ruptura del MOSFET.

Corrent d’allaus i UIS

Aquesta taxa màxima de tensió d'avaria es determina mitjançant la prova de corrent d'allau, que s'aconsegueix mitjançant una prova de commutació inductiva sense tancament o la prova UIS.

Per tant, quan els enginyers discuteixen sobre el corrent UIS, potser es refereixen al corrent d’allau.

Es realitza una prova de commutació inductiva sense tancar per esbrinar el corrent i, per tant, l’energia d’allau que podria provocar la fallada del MOSFET.

Com s'ha esmentat anteriorment, aquestes magnituds o qualificacions depenen enormement de les especificacions de les proves, en particular del valor de l'inductor aplicat en el moment de la prova.

Configuració de la prova

El següent diagrama mostra un circuit de prova estàndard UIS configurat.

Així, veiem una alimentació de tensió en sèrie amb un inductor, L, que també està en sèrie amb el MOSFET en prova. També podem veure un controlador de porta per al FET la sortida del qual està en sèrie amb una resistència de porta FET R.

A la imatge següent, trobem el dispositiu controlador LTC55140, que s’utilitza al laboratori de Texas Instrument per avaluar les característiques UIS del FET.

Posteriorment, la característica UIS ajuda no només a conèixer la classificació del full de dades FET, sinó també al valor utilitzat per escanejar el FET al procediment de prova final.

L’eina permet ajustar el valor de l’inductor de càrrega de 0,2 a 160 mil·lennis. Permet ajustar la tensió de drenatge del MOSFET en prova de 10 a 150 volts.

Això, com a resultat, permet pantalla fins i tot aquells FET que tenen una taxa de ruptura de 100 volts. I es fa possible aplicar corrents de drenatge de 0,1 a 200 amperes. I aquest és el rang actual de UIS que el FET pot haver de tolerar durant el procediment de prova.

A més, l'eina permet configurar diferents intervals de temperatures de la carcassa MOSFET, des de -55 fins a +150 graus.

Procediments de proves

La prova UIS estàndard s’implementa a través de 4 etapes, com es mostra a la imatge següent:

La primera etapa consisteix en la prova de pre-fuita, en què la tensió d’alimentació esbiaixa el drenatge FET. Fonamentalment, la idea aquí és intentar garantir que el FET funcioni de la manera normal esperada.

Així, a la primera etapa es manté el FET apagat. Manté la tensió d'alimentació bloquejada a través dels terminals de l'emissor daim, sense experimentar cap tipus de corrent de fuita excessiu que flueixi a través d'ell.

A la segona etapa, que es coneix com a rampa de corrent d’allau, el FET s’encén, cosa que fa caure el voltatge de drenatge. Això fa que el corrent augmenti gradualment a través de l’inductor amb un di / dt constant. Així, bàsicament, en aquesta etapa, l’inductor pot carregar-se.

A la tercera etapa, es realitza la prova d’allaus real, on el FET està pràcticament sotmès a l’allau. En aquesta etapa, el FET es desactiva eliminant el biaix de la porta. Això es tradueix en un di / dt massiu que passa a través de l’inductor, cosa que provoca que el voltatge de drenatge del FET dispari molt per sobre del límit de tensió de ruptura del FET.

Això obliga el FET a passar per l’allau d’allaus. En aquest procés, el FET absorbeix tota l’energia generada per l’inductor i es manté apagat fins que s’executa la quarta etapa, que implica la prova de postfugues

En aquesta quarta etapa, el FET es torna a sotmetre a una prova d’allau repetida, només per estar segur de si el MOSFET encara es comporta amb normalitat o no. Si ho fa, es considera que el FET ha superat la prova d’allaus.

A continuació, el FET ha de passar la prova anterior moltes vegades més, en què el nivell de tensió UIS augmenta gradualment amb cada prova, fins al nivell en què el MOSFET no és capaç de suportar i falla la prova post-fuita. I es nota que aquest nivell actual és la capacitat de resistència de corrent UIS màxima del MOSFET.

Càlcul de l’energia d’allaus MOSFET

Una vegada que es realitza la capacitat màxima de maneig de corrent UIS del MOSFET, quan el dispositiu es descompon, es fa molt més fàcil per als enginyers estimar la quantitat d’energia que es dissipa a través del FET durant el procés d’allaus.

Suposant que tota l’energia emmagatzemada a l’inductor es va dissipar al MOSFET durant l’allau, aquesta magnitud energètica es pot determinar utilitzant la següent fórmula:

ÉS_AS= 1 / 2L x I_OF²

ÉS_ASens dóna la magnitud de l’energia emmagatzemada a l’interior de l’inductor, que és igual al 50% del valor d’inductància multiplicat pel corrent al quadrat, que flueix a través de l’inductor.

Més endavant, es va observar que a mesura que es va augmentar el valor de l’inductor, la quantitat de corrent responsable de la ruptura del MOSFET va disminuir.

Tanmateix, aquest augment de la mida dels inductors compensa aquesta reducció de corrent en la fórmula energètica anterior de manera que el valor energètic augmenta literalment.

Energia d’allau o corrent d’allau?

Aquests són els dos paràmetres, que poden confondre els consumidors, mentre es comprova un full de dades MOSFET per a la classificació d’allaus.

Molts dels fabricants de MOSFET proven intencionadament el MOSFET amb inductors més grans, de manera que puguin presumir d’una magnitud d’energia d’allau major, creant la impressió que el MOSFET està provat per suportar enormes energies d’allaus i, per tant, té una durabilitat més gran fins a l’allau.

Però el mètode anterior d’utilitzar un inductor més gran sembla enganyós, és per això que els enginyers de Texas Instruments fan proves amb una inductància més petita de l’ordre de 0,1 mH, de manera que el MOSFET sotmès a prova està sotmès a un corrent d’allau més alt i a nivells d’estrés de ruptura extrems.

Per tant, en els fulls de dades, no és l’energia de l’allau, sinó el corrent d’allau que hauria de ser més gran en quantitat, el que mostra una millor robustesa del MOSFET.

Això fa que les proves finals siguin molt estrictes i permeti filtrar tants MOSFET més febles com sigui possible.

Aquest valor de prova no només s'utilitza com a valor final abans de passar el disseny FET per a la producció, sinó que també és el valor que s'introdueix al full de dades.

Al següent pas, el valor de prova anterior es redueix en un 65%, de manera que l'usuari final pot obtenir un marge de tolerància més ampli per als seus MOSFET.

Així, per exemple, si el corrent d’allau provat era de 125 Ampers, el valor final que s’introdueix al full de dades serà de 81 Ampers, després de la reducció.

Actualitat MOSFET Avalanche vs Temps passat a Avalanche

Un altre paràmetre associat amb el MOSFET de potència i esmentat en els fulls de dades, especialment per als MOSFET dissenyats per canviar d'aplicacions, és la capacitat de corrent d'allaus enfront del temps que es passa a l'allau. Aquest paràmetre es mostra normalment respecte a la temperatura de la caixa del MOSFET a 25 graus. Durant la prova, la temperatura de la caixa augmenta a 125 graus.

En aquesta situació, la temperatura de la caixa del MOSFET del MOSFET s’acosta molt a la temperatura real d’unió de la matriu de silici del MOSFET.

En aquest procediment a mesura que augmenta la temperatura de la unió del dispositiu, és possible que espereu veure una certa degradació que és bastant normal? Tanmateix, si el resultat mostra un alt nivell de degradació, això pot indicar els signes d’un dispositiu MOSFET intrínsecament feble.

Per tant, des del punt de vista del disseny, s’intenta garantir que la degradació no superi el 30% per a un augment de la temperatura del cas de 25 a 125 graus.

Com protegir MOSFET del corrent d’allau

Tal com hem après de les discussions anteriors, l’allau en els MOSFET es desenvolupa a causa del canvi inductiu de CEM inductiu d’alta tensió a través del díode corporal de MOSFET.

Si aquest voltatge CEM posterior supera la qualificació màxima del díode corporal, provoca una generació de calor extrema al dispositiu i danys posteriors.

Això implica que si es deixa passar la tensió CEM inductiva a través d'un díode de derivació extern adequadament qualificat, a través de l'emissor de drenatge del FET pot ajudar a evitar el fenomen de l'allau.

El diagrama següent suggereix el disseny estàndard d'afegir un díode extern de drenatge-emissor per reforçar el díode del cos intern del MOSFET.