In diesem Beitrag diskutieren wir die MOSFET-Lawinenbewertungen und erfahren, wie Sie diese Bewertung im Datenblatt richtig verstehen, wie der Parameter vom Hersteller getestet wird und wie Sie MOSFETs vor diesem Phänomen schützen können.

Der Lawinenparameter hilft nicht nur bei der Überprüfung der Robustheit der Geräte, sondern auch beim Herausfiltern schwächerer MOSFETs oder solcher, die anfälliger sind oder die Gefahr eines Ausfalls bestehen.

Was ist MOSFET Avalanche Rating

Die MOSFET-Lawinenbewertung ist die maximal tolerierbare Energie (Millijoule), die ein MOSFET aushalten kann, wenn seine Drain-Source-Spannung die maximale Durchbruchspannung (BVDSS) überschreitet.

Dieses Phänomen tritt normalerweise in MOSFET-Schaltkreisen mit induktiver Last über dem Drain-Anschluss auf.

Während der EIN-Perioden der Schaltzyklen lädt sich der Induktor auf, und während der AUS-Perioden gibt der Induktor seine gespeicherte Energie in Form einer Gegen-EMK über Source-Drain des MOSFET frei.

Diese Sperrspannung findet ihren Weg durch die Körperdiode des MOSFET. Wenn ihr Wert die maximal tolerierbare Grenze des Geräts überschreitet, entwickelt sich im Gerät starke Wärme, die das Gerät beschädigt oder dauerhaft beschädigt.

Wann wurde die MOSFET-Lawine eingeführt?

Der Parameter Avalanche Energy und UIS-Strom (Unclamped Inductive Switching) war vor den 1980er Jahren in den MOSFET-Datenblättern nicht enthalten.

Zu diesem Zeitpunkt entwickelte sich daraus nicht nur eine Datenblattspezifikation, sondern ein Parameter, den viele Verbraucher forderten, dass der FET getestet wird, bevor das Gerät für die Produktion übergeben wird, insbesondere wenn der MOSFET für Stromversorgungs- oder Schaltimplementierungen ausgelegt ist.

Daher tauchte der Lawinenparameter erst nach den 1980er Jahren in den Datenblättern auf, und dann begannen die Werbetechniker zu verstehen, dass das Gerät umso wettbewerbsfähiger zu sein schien, je höher die Lawinenbewertung war.

Die Ingenieure begannen, Techniken zu bestimmen, um mit dem Parameter zu experimentieren, indem sie einige seiner Variablen optimierten, die für den Testprozess verwendet wurden.

Im Allgemeinen wird der MOSFET umso haltbarer und stärker, je größer die Lawinenenergie ist. Daher bedeutet eine größere Lawinenbewertung stärkere MOSFET-Eigenschaften.

Die meisten FET-Datenblätter enthalten normalerweise den Lawinenparameter in ihrer Tabelle mit den absoluten Maximalbewertungen, die direkt auf der Einstiegsseite des Datenblattes zu finden ist. Insbesondere können Sie die hier geschriebenen Parameter als Avalanche Current und Avalanche Energy, Eas anzeigen.

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Daher wird in Datenblättern die MOSFET-Lawinenenergie als die Energiemenge angegeben, die der MOSFET tolerieren kann, während er dem Lawinentest unterzogen wird oder wenn die maximale Durchbruchspannung des MOSFET überschritten wird.

Lawinenstrom und UIS

Diese maximale Durchschlagspannung wird durch den Lawinenstromtest bestimmt, der durch einen nicht geklemmten induktiven Schalttest oder den UIS-Test durchgeführt wird.

Wenn Ingenieure über den UIS-Strom diskutieren, beziehen sie sich möglicherweise auf den Lawinenstrom.

Ein nicht geklemmter induktiver Schalttest wird durchgeführt, um den Strom und damit die Lawinenenergie herauszufinden, die den MOSFET-Fehler auslösen könnte.

Wie bereits erwähnt, hängen diese Größen oder Nennwerte stark von den Testspezifikationen ab, insbesondere vom Induktorwert, der zum Zeitpunkt des Tests angewendet wurde.

Versuchsaufbau

Das folgende Diagramm zeigt eine standardmäßige UIS-Testschaltung.

Wir sehen also eine Spannungsversorgung in Reihe mit einem Induktor L, der ebenfalls in Reihe mit dem zu testenden MOSFET liegt. Wir können auch einen Gate-Treiber für den FET sehen, dessen Ausgang mit einem FET-Gate-Widerstand R in Reihe geschaltet ist.

In der folgenden Abbildung sehen wir das LTC55140-Steuergerät, das im Texas Instrument Lab zur Bewertung der UIS-Eigenschaften des FET verwendet wird.

Die UIS-Eigenschaft hilft anschließend nicht nur, die Bewertung des FET-Datenblattes herauszufinden, sondern auch den Wert, der zum Scannen des FET im endgültigen Testverfahren verwendet wird.

Mit dem Werkzeug kann der Wert des Lastinduktors von 0,2 auf 160 Millihenry eingestellt werden. Es ermöglicht die Einstellung der Drain-Spannung des zu testenden MOSFET von 10 auf 150 Volt.

Dies ermöglicht es, auch diejenigen FETs zu screenen, die für eine Durchbruchspannung von nur 100 Volt ausgelegt sind. Und es wird möglich, Drainströme von 0,1 bis 200 Ampere anzulegen. Dies ist der UIS-Strombereich, den der FET möglicherweise während des Testverfahrens tolerieren muss.

Zusätzlich können mit dem Tool verschiedene Bereiche der MOSFET-Gehäusetemperaturen von -55 bis +150 Grad eingestellt werden.

Testverfahren

Der Standard-UIS-Test wird in vier Schritten implementiert, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die erste Stufe besteht aus dem Vorleckagetest, bei dem die Versorgungsspannung den FET-Drain vorspannt. Grundsätzlich geht es hier darum, sicherzustellen, dass der FET die normal erwartete Leistung erbringt.

Somit wird in der ersten Stufe der FET ausgeschaltet gehalten. Es hält die Versorgungsspannung an den Daim-Emitter-Klemmen blockiert, ohne dass ein übermäßiger Leckstrom durch sie fließt.

In der zweiten Stufe, die als Lawinenstromanstieg bekannt ist, wird der FET eingeschaltet, wodurch seine Drain-Spannung abfällt. Dies führt dazu, dass der Strom durch den Induktor mit einem konstanten di / dt allmählich ansteigt. Im Grunde genommen kann sich der Induktor in dieser Phase aufladen.

In der dritten Stufe wird der eigentliche Lawinentest durchgeführt, bei dem der FET praktisch der Lawine ausgesetzt ist. In dieser Phase wird der FET durch Entfernen seiner Gate-Vorspannung ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass ein massiver Durchgang durch den Induktor gelangt, wodurch die FET-Drain-Spannung hoch über die Durchbruchspannungsgrenze des FET schießt.

Dies zwingt den FET, den Lawinenanstieg zu durchlaufen. In diesem Prozess absorbiert der FET die gesamte vom Induktor erzeugte Energie und bleibt abgeschaltet, bis die 4. Stufe ausgeführt wird, die den Post-Leakage-Test beinhaltet

In dieser vierten Stufe wird der FET erneut einem wiederholten Lawinentest unterzogen, um sicherzugehen, ob sich der MOSFET noch normal verhält oder nicht. Wenn dies der Fall ist, hat der FET den Lawinentest bestanden.

Als nächstes muss der FET den obigen Test noch viele Male durchlaufen, wobei der UIS-Spannungspegel mit jedem Test allmählich erhöht wird, bis der Pegel, dem der MOSFET nicht standhalten kann und den Post-Leakage-Test nicht besteht. Dieser Strompegel ist der maximale UIS-Strombeständigkeit des MOSFET.

Berechnung der MOSFET-Lawinenenergie

Sobald die maximale UIS-Strombelastbarkeit des MOSFET erreicht ist, bei der das Gerät ausfällt, können die Ingenieure die Energiemenge, die während des Lawinenprozesses durch den FET abgegeben wird, viel einfacher abschätzen.

Unter der Annahme, dass die gesamte im Induktor gespeicherte Energie während der Lawine in den MOSFET abgeleitet wurde, kann diese Energiegröße unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden:

IS_WIE= 1 / 2L x I._VON^zwei

IS_WIEgibt uns die Größe der im Induktor gespeicherten Energie an, die 50% des Induktivitätswerts multipliziert mit dem durch den Induktor fließenden Quadratquadrat entspricht.

Weiterhin wurde beobachtet, dass mit zunehmendem Induktorwert die Strommenge, die für den MOSFET-Durchschlag verantwortlich war, tatsächlich abnahm.

Diese Zunahme der Induktorgröße gleicht jedoch tatsächlich diese Verringerung des Stroms in der obigen Energieformel so aus, dass der Energiewert buchstäblich zunimmt.

Lawinenenergie oder Lawinenstrom?

Dies sind die beiden Parameter, die die Verbraucher verwirren können, während ein MOSFET-Datenblatt auf Lawinenbewertung überprüft wird.

Viele der MOSFET-Hersteller testen den MOSFET absichtlich mit größeren Induktivitäten, damit sie eine größere Lawinenenergie aufweisen können, was den Eindruck erweckt, dass der MOSFET auf hohe Lawinenenergien getestet wurde und daher eine erhöhte Lawinenbeständigkeit aufweist.

Die obige Methode zur Verwendung eines größeren Induktors sieht jedoch irreführend aus. Genau deshalb testen die Ingenieure von Texas Instruments mit einer kleineren Induktivität in der Größenordnung von 0,1 mH, so dass der zu testende MOSFET einem höheren Lawinenstrom und extremen Durchschlagspannungsniveaus ausgesetzt ist.

In Datenblättern sollte also nicht die Lawinenenergie, sondern der Lawinenstrom größer sein, was eine bessere Robustheit des MOSFET zeigt.

Dies macht die Endprüfung sehr streng und ermöglicht das Herausfiltern möglichst vieler schwächerer MOSFETs.

Dieser Testwert wird nicht nur als Endwert verwendet, bevor das FET-Layout für die Produktion übergeben wird, sondern dies ist auch der Wert, der in das Datenblatt eingegeben wird.

Im nächsten Schritt wird der obige Testwert um 65% verringert, so dass der Endbenutzer einen größeren Toleranzbereich für seine MOSFETs erhalten kann.

Wenn der getestete Lawinenstrom beispielsweise 125 Ampere betrug, beträgt der im Datenblatt eingegebene Endwert nach der Leistungsreduzierung 81 Ampere.

MOSFET-Lawinenstrom gegen die in der Lawine verbrachte Zeit

Ein weiterer Parameter, der dem Leistungs-MOSFET zugeordnet ist und in Datenblättern erwähnt wird, insbesondere für die MOSFETs, die für Schaltanwendungen entwickelt wurden, ist die Lawinenstromfähigkeit im Verhältnis zur in der Lawine verbrachten Zeit. Dieser Parameter wird normalerweise in Bezug auf die Gehäusetemperatur des MOSFET bei 25 Grad angezeigt. Während des Tests wird die Gehäusetemperatur auf 125 Grad erhöht.

In dieser Situation kommt die Gehäusetemperatur des MOSFET des MOSFET der tatsächlichen Sperrschichttemperatur des Siliziumchips des MOSFET sehr nahe.

Wenn bei diesem Verfahren die Sperrschichttemperatur des Geräts erhöht wird, können Sie mit einer gewissen Verschlechterung rechnen, die ganz normal ist. Wenn das Ergebnis jedoch einen hohen Grad an Verschlechterung zeigt, kann dies auf die Anzeichen einer inhärent schwachen MOSFET-Vorrichtung hinweisen.

Aus konstruktiver Sicht wird daher versucht sicherzustellen, dass die Verschlechterung bei einem Anstieg der Gehäusetemperatur von 25 auf 125 Grad nicht mehr als 30% beträgt.

So schützen Sie den MOSFET vor Lawinenstrom

Wie wir aus den obigen Diskussionen gelernt haben, wird eine Lawine in MOSFETs aufgrund einer induktiven Hochspannungs-Gegen-EMK-Umschaltung durch die Körperdiode des MOSFET entwickelt.

Wenn diese Gegen-EMK-Spannung die maximale Nennleistung der Body-Diode überschreitet, führt dies zu einer extremen Wärmeentwicklung im Gerät und zu nachfolgenden Schäden.

Dies impliziert, dass, wenn die induktive EMF-Spannung durch eine externe Bypass-Diode mit geeigneter Nennleistung geleitet werden kann, über den Drain-Emitter des FET das Lawinenphänomen abgewendet werden kann.

Das folgende Diagramm zeigt das Standarddesign des Hinzufügens einer externen Drain-Emitter-Diode zur Verstärkung der internen Körperdiode des MOSFET.