In questo post discutiamo le valutazioni delle valanghe dei MOSFET e impariamo come comprendere correttamente questa valutazione nella scheda tecnica, come il parametro viene testato dal produttore e le misure per proteggere i MOSFET da questo fenomeno.

Il parametro valanga non solo aiuta a verificare la robustezza dei dispositivi, ma aiuta anche a filtrare i MOSFET più deboli o quelli più suscettibili oa rischio di guasto.

Cos'è il MOSFET Avalanche Rating

Il valore di valanga del MOSFET è l'energia massima tollerabile (millijoule) che un MOSFET può sopportare, quando la sua tensione di drain-source supera il limite di tensione massima di rottura (BVDSS).

Questo fenomeno si verifica normalmente nei circuiti di commutazione MOSFET con carico induttivo sul terminale di pozzo.

Durante i periodi ON dei cicli di commutazione, l'induttore si carica e durante i periodi OFF l'induttore rilascia la sua energia immagazzinata sotto forma di EMF di ritorno attraverso il source-drain del MOSFET.

Questa tensione inversa si fa strada attraverso il diodo body del MOSFET e, se il suo valore supera il limite massimo tollerabile del dispositivo, provoca lo sviluppo di calore intenso all'interno del dispositivo causando danni o danni permanenti al dispositivo.

Quando è stato introdotto il MOSFET Avalanche

Il parametro Avalanche Energy e UIS (Unclamped Inductive Switching) non era infatti incluso nelle schede tecniche dei MOSFET prima degli anni '80.

Ed è allora che si è evoluto non solo in una specifica della scheda tecnica, ma in un parametro che molti consumatori hanno iniziato a richiedere che il FET fosse testato prima di passare il dispositivo per la produzione, soprattutto se il MOSFET è stato progettato per l'alimentazione o implementazioni di commutazione.

Pertanto è stato solo dopo gli anni '80 che il parametro valanghe ha iniziato a comparire nelle schede tecniche, quindi i tecnici della promozione hanno iniziato a capire che più grande era il valore di valanga, più competitivo appariva il dispositivo.

Gli ingegneri hanno iniziato a determinare le tecniche per sperimentare il parametro modificando alcune delle sue variabili, che sono state utilizzate per il processo di test.

In generale, maggiore è l'energia della valanga, più durevole e forte diventa il MOSFET. Pertanto un valore di valanga maggiore, rappresenta caratteristiche MOSFET più forti.

La maggior parte delle schede tecniche FET avrà normalmente il parametro valanga incluso nella tabella dei valori massimi assoluti, che può essere trovata direttamente nella pagina di ingresso della scheda tecnica. In particolare, è possibile visualizzare i parametri qui scritti come Avalanche Current e Avalanche Energy, Eas.

“esempi di progetti di capstone di ingegneria elettrica ”

Pertanto, nelle schede tecniche MOSFET Avalanche Energy è presentato come la quantità di energia che il MOSFET è in grado di tollerare durante il test di valanga o quando viene superata la tensione massima di rottura del MOSFET.

Corrente di valanga e UIS

Questa tensione massima di rottura viene determinata tramite il test della corrente di valanga, che viene eseguito tramite un test di commutazione induttiva non bloccata o il test UIS.

Quindi, quando gli ingegneri discutono sulla corrente UIS, potrebbero riferirsi alla corrente di valanga.

Viene eseguito un test di commutazione induttiva non bloccata per determinare la corrente e quindi l'energia della valanga che potrebbe innescare il guasto del MOSFET.

Come accennato in precedenza, queste grandezze o valutazioni dipendono in larga misura dalle specifiche del test, in particolare dal valore dell'induttore applicato al momento del test.

Configurazione di prova

Il diagramma seguente mostra un circuito di test UIS standard impostato.

Quindi vediamo una tensione di alimentazione in serie con un induttore, L, che è anche in serie con il MOSFET in prova. Possiamo anche vedere un gate driver per il FET la cui uscita è in serie con un resistore di gate FET R.

Nell'immagine sottostante troviamo il dispositivo controller LTC55140, che viene utilizzato nel laboratorio Texas Instrument per valutare le caratteristiche UIS del FET.

La caratteristica UIS successivamente aiuta non solo a scoprire la valutazione della scheda tecnica FET, ma anche il valore utilizzato per scansionare il FET nella procedura di test finale.

Lo strumento consente di modificare il valore dell'induttore di carico da 0,2 a 160 millihenry. Permette la regolazione della tensione di drain del MOSFET in prova da 10 a 150 volt.

Ciò, di conseguenza, rende possibile schermare anche quei FET classificati per gestire solo una tensione di rottura di 100 volt. E diventa possibile applicare correnti di drenaggio da 0,1 a 200 ampere. E questo è l'intervallo di corrente UIS che il FET potrebbe dover tollerare durante la procedura di test.

Inoltre, lo strumento consente di impostare diversi intervalli di temperature della custodia del MOSFET, da -55 a +150 gradi.

Procedure di test

Il test UIS standard viene implementato attraverso 4 fasi, come illustrato nell'immagine seguente:

La prima fase consiste nel test di pre-leakage, in cui la tensione di alimentazione polarizza lo scarico del FET. Fondamentalmente, l'idea qui è di cercare di garantire che il FET funzioni nel modo normale previsto.

Pertanto, nella prima fase il FET viene mantenuto spento. Mantiene la tensione di alimentazione bloccata attraverso i terminali daim-emitter, senza subire alcun tipo di corrente di dispersione eccessiva che scorre attraverso di essa.

Nella seconda fase, nota come aumento della corrente di valanga, il FET viene attivato, il che fa diminuire la sua tensione di drain. Ciò fa sì che la corrente aumenti gradualmente attraverso l'induttore con un di / dt costante. Quindi, fondamentalmente in questa fase, l'induttore può caricarsi.

Nella terza fase si esegue il test valanga vero e proprio, dove il FET è praticamente sottoposto alla valanga. In questa fase il FET viene disattivato rimuovendo il suo gate bias. Ciò si traduce in un enorme di / dt che attraversa l'induttore, facendo sì che la tensione di drenaggio del FET aumenti al di sopra del limite di tensione di rottura del FET.

Questo costringe il FET a superare l'ondata di valanghe. In questo processo, il FET assorbe l'intera energia generata dall'induttore e rimane spento fino a quando non viene eseguito il 4 ° stadio, che coinvolge il test di post dispersione

In questa 4a fase il FET viene nuovamente sottoposto a un test di ripetizione delle valanghe, giusto per essere sicuri che il MOSFET si stia ancora comportando normalmente o meno. In caso affermativo, si considera che il FET abbia superato la prova di valanga.

Successivamente, il FET deve superare il test di cui sopra molte più volte, in cui il livello di tensione UIS viene gradualmente aumentato con ogni test, fino al livello in cui il MOSFET non è in grado di resistere e fallisce il test post-leakage. E questo livello di corrente è noto per essere la massima capacità di resistenza alla corrente UIS del MOSFET.

Calcolo dell'energia da valanga MOSFET

Una volta raggiunta la massima capacità di gestione della corrente UIS del MOSFET, alla quale il dispositivo si rompe, diventa molto più facile per gli ingegneri stimare la quantità di energia dissipata attraverso il FET durante il processo di valanga.

Supponendo che l'intera energia immagazzinata nell'induttore sia stata dissipata nel MOSFET durante la valanga, questa grandezza di energia può essere determinata utilizzando la seguente formula:

E_COME= 1 / 2L x I_DI^Due

E_COMEci dà la grandezza dell'energia immagazzinata all'interno dell'induttore, che è pari al 50% del valore dell'induttanza moltiplicato per la corrente al quadrato, che scorre attraverso l'induttore.

Successivamente, è stato osservato che all'aumentare del valore dell'induttore, la quantità di corrente responsabile della rottura del MOSFET diminuiva effettivamente.

Tuttavia, questo aumento delle dimensioni dell'induttore compensa di fatto questa riduzione di corrente nella formula energetica di cui sopra in modo tale che il valore energetico aumenta letteralmente.

Energia di valanga o corrente di valanga?

Questi sono i due parametri, che possono confondere i consumatori, mentre controllano una scheda tecnica MOSFET per la valutazione delle valanghe.

Molti dei produttori di MOSFET testano intenzionalmente il MOSFET con induttori più grandi, in modo che siano in grado di vantare una maggiore ampiezza di energia da valanga, creando l'impressione che il MOSFET sia testato per resistere a enormi energie da valanga e quindi abbia una maggiore durata in caso di valanga.

Ma il metodo di cui sopra per utilizzare un induttore più grande sembra fuorviante, questo è esattamente il motivo per cui gli ingegneri di Texas Instruments testano con un'induttanza più piccola dell'ordine di 0,1 mH, in modo che il MOSFET sottoposto a test sia soggetto a una corrente di valanga più elevata e livelli di stress di rottura estremi.

Quindi, nelle schede tecniche, non è l'energia di Avalanche, ma la corrente di Avalanche che dovrebbe essere maggiore in quantità, il che mostra una migliore robustezza del MOSFET.

Ciò rende il test finale estremamente rigoroso e consente di filtrare il maggior numero possibile di MOSFET più deboli.

Questo valore di prova non viene utilizzato solo come valore finale prima che il layout FET venga passato per la produzione, ma questo è anche il valore inserito nel foglio dati.

Nella fase successiva, il valore di test di cui sopra viene ridotto del 65%, in modo che l'utente finale sia in grado di ottenere un margine di tolleranza più ampio per i propri MOSFET.

Quindi, ad esempio, se la corrente di valanga testata era di 125 Amp, il valore finale inserito nella scheda tecnica risulta essere 81 Amp, dopo il declassamento.

MOSFET Valanga corrente vs tempo trascorso in valanga

Un altro parametro associato al MOSFET di potenza e menzionato nelle schede tecniche, in particolare per i MOSFET progettati per le applicazioni di commutazione è la capacità di corrente di valanga rispetto al tempo trascorso in valanga. Questo parametro è normalmente mostrato rispetto alla temperatura della cassa del MOSFET a 25 gradi. Durante il test la temperatura del case viene aumentata a 125 gradi.

In questa situazione la temperatura dell'involucro del MOSFET del MOSFET si avvicina molto alla temperatura di giunzione effettiva del die di silicio del MOSFET.

In questa procedura quando la temperatura di giunzione del dispositivo aumenta, potresti aspettarti di vedere una certa quantità di degrado che è abbastanza normale? Tuttavia, se il risultato mostra un alto livello di degrado, ciò potrebbe indicare i segni di un dispositivo MOSFET intrinsecamente debole.

Da un punto di vista progettuale, quindi, si cerca di garantire che il degrado non superi il 30% per un aumento della temperatura della cassa da 25 a 125 gradi.

Come proteggere il MOSFET dalla corrente di valanga

Come abbiamo appreso dalle discussioni di cui sopra, la valanga nei MOSFET è sviluppata a causa della commutazione EMF induttiva ad alta tensione attraverso il diodo del corpo del MOSFET.

Se questa tensione di ritorno EMF supera il valore massimo del diodo del corpo, provoca la generazione di calore estremo nel dispositivo e conseguenti danni.

Ciò implica che se la tensione EMF induttiva viene lasciata passare attraverso un diodo di bypass esterno opportunamente valutato, attraverso l'emettitore di drenaggio del FET può aiutare a scongiurare il fenomeno delle valanghe.

Il diagramma seguente suggerisce il progetto standard di aggiungere un diodo drain-emitter esterno per rinforzare il diodo body interno del MOSFET.