Σε αυτήν την ανάρτηση συζητάμε τις αξιολογήσεις χιονοστιβάδας MOSFET και μαθαίνουμε πώς να κατανοήσουμε σωστά αυτήν την αξιολόγηση στο φύλλο δεδομένων, πώς ελέγχεται η παράμετρος από τον κατασκευαστή και μέτρα για την προστασία των MOSFET από αυτό το φαινόμενο.

Η παράμετρος χιονοστιβάδας όχι μόνο βοηθά στην επαλήθευση της ανθεκτικότητας των συσκευών, αλλά βοηθά επίσης στο φιλτράρισμα ασθενέστερων MOSFET ή εκείνων που είναι πιο ευαίσθητα ή κινδυνεύουν από βλάβη.

Τι είναι η αξιολόγηση χιονοστιβάδας MOSFET

Η βαθμολογία χιονοστιβάδας MOSFET είναι η μέγιστη ανεκτή ενέργεια (millijoule) που μπορεί να αντέξει ένα MOSFET, όταν η τάση αποστράγγισης πηγής υπερβαίνει το όριο της μέγιστης τάσης διακοπής (BVDSS).

Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται συνήθως σε κυκλώματα μεταγωγής MOSFET με επαγωγικό φορτίο κατά μήκος του ακροδέκτη αποστράγγισης.

Κατά τη διάρκεια των περιόδων ON των κύκλων μεταγωγής, ο επαγωγέας φορτίζει και κατά τη διάρκεια των περιόδων OFF ο επαγωγέας απελευθερώνει την αποθηκευμένη ενέργειά του με τη μορφή οπίσθιου EMF σε όλη την πηγή αποστράγγισης του MOSFET.

Αυτή η αντίστροφη τάση βρίσκεται μέσα από τη δίοδο σώματος του MOSFET και εάν η τιμή της υπερβαίνει το μέγιστο ανεκτό όριο της συσκευής, προκαλεί έντονη θερμότητα στην συσκευή προκαλώντας βλάβη ή μόνιμη βλάβη στη συσκευή.

Πότε παρουσιάστηκε το MOSFET Avalanche

Η παράμετρος Avalanche Energy και UIS (μη συμπαγής επαγωγική μεταγωγή) στην πραγματικότητα δεν συμπεριλήφθηκε στα φύλλα δεδομένων MOSFET πριν από τη δεκαετία του 1980.

Και τότε ήταν που εξελίχθηκε όχι μόνο σε μια προδιαγραφή φύλλου δεδομένων, αλλά σε μια παράμετρο που πολλοί καταναλωτές άρχισαν να απαιτούν να δοκιμαστεί το FET πριν περάσει η συσκευή για παραγωγή, ειδικά εάν το MOSFET έχει σχεδιαστεί για τροφοδοσία ή εναλλαγή εφαρμογών.

Επομένως, μόνο μετά τη δεκαετία του 1980 άρχισε να εμφανίζεται η παράμετρος της χιονοστιβάδας στα φύλλα δεδομένων και, στη συνέχεια, οι τεχνικοί προώθησης άρχισαν να καταλαβαίνουν ότι όσο μεγαλύτερη ήταν η βαθμολογία χιονοστιβάδας, τόσο πιο ανταγωνιστική ήταν η συσκευή.

Οι μηχανικοί άρχισαν να καθορίζουν τεχνικές για να πειραματιστούν με την παράμετρο τροποποιώντας μερικές από τις μεταβλητές της, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τη διαδικασία δοκιμής.

Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια της χιονοστιβάδας, τόσο πιο ανθεκτικό και δυνατό είναι το MOSFET. Επομένως, η μεγαλύτερη βαθμολογία χιονοστιβάδας, αντιπροσωπεύει ισχυρότερα χαρακτηριστικά MOSFET.

Τα περισσότερα φύλλα δεδομένων FET κανονικά θα έχουν την παράμετρο χιονοστιβάδας που περιλαμβάνεται στον Πίνακα Απόλυτων Μέγιστων Αξιολογήσεων, ο οποίος μπορεί να βρεθεί απευθείας στη σελίδα εισόδου του φύλλου δεδομένων. Ειδικά, μπορείτε να δείτε τις παραμέτρους που γράφονται εδώ ως Avalanche Current και Avalanche Energy, Eas.

“ποια είναι η κύρια διαφορά μεταξύ των μισών αθροιστών και των πλήρων προσθηκών; ”

Επομένως, στα δελτία δεδομένων, το MOSFET Avalanche Energy παρουσιάζεται ως η ποσότητα ενέργειας που το MOSFET είναι σε θέση να ανεχθεί ενώ υποβάλλεται σε δοκιμή χιονοστιβάδας ή όταν έχει διασταυρωθεί η μέγιστη βαθμολογία τάσης διακοπής του MOSFET.

Avalanche Current και UIS

Αυτή η μέγιστη βαθμολογία τάσης βλάβης καθορίζεται μέσω του Avalanche Current Test, το οποίο επιτυγχάνεται μέσω δοκιμής Unclamped Inductive Switching ή UIS.

Ως εκ τούτου, όταν οι μηχανικοί συζητούν για το ρεύμα UIS, ενδέχεται να αναφέρονται στο ρεύμα χιονοστιβάδας.

Πραγματοποιείται δοκιμή Unclamped Inductive Switching για τον υπολογισμό του ρεύματος και, συνεπώς, της ενέργειας χιονοστιβάδας που θα μπορούσε να προκαλέσει την αποτυχία του MOSFET.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτά τα μεγέθη ή οι βαθμολογίες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις προδιαγραφές δοκιμής, ιδιαίτερα, την τιμή επαγωγέα που εφαρμόστηκε τη στιγμή της δοκιμής.

Ρύθμιση δοκιμής

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει ένα τυπικό κύκλωμα δοκιμής UIS.

Έτσι, βλέπουμε μια τάση τροφοδοσίας σε σειρά με έναν επαγωγέα, L, ο οποίος είναι επίσης σε σειρά με το MOSFET υπό δοκιμή. Μπορούμε επίσης να δούμε έναν οδηγό πύλης για το FET του οποίου η έξοδος είναι σε σειρά με μια αντίσταση πύλης FET R.

Στην παρακάτω εικόνα, βρίσκουμε, τη συσκευή ελέγχου LTC55140, η οποία χρησιμοποιείται στο εργαστήριο Texas Instrument για την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών UIS του FET.

Το χαρακτηριστικό UIS βοηθά στη συνέχεια όχι μόνο να ανακαλύψει την βαθμολογία φύλλου δεδομένων FET, αλλά και την τιμή που χρησιμοποιείται για τη σάρωση του FET στην τελική διαδικασία δοκιμής.

Το εργαλείο επιτρέπει την τροποποίηση της τιμής του επαγωγέα φορτίου από 0,2 έως 160 χιλιοστά. Επιτρέπει τη ρύθμιση της τάσης αποστράγγισης του υπό δοκιμή MOSFET από 10 έως 150 volt.

Αυτό, ως αποτέλεσμα, καθιστά δυνατή τη διαλογή ακόμη και εκείνων των FET που έχουν βαθμολογία για να χειρίζονται μόνο τάση διακοπής 100 volt. Και, καθίσταται δυνατή η εφαρμογή ρευμάτων αποστράγγισης από 0,1 έως 200 αμπέρ. Και αυτό είναι το τρέχον εύρος UIS που το FET μπορεί να χρειαστεί να ανεχθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας δοκιμής.

Επιπλέον, το εργαλείο επιτρέπει τον καθορισμό διαφορετικών περιοχών θερμοκρασιών θήκης MOSFET, από -55 έως +150 μοίρες.

Διαδικασίες δοκιμής

Η τυπική δοκιμή UIS εφαρμόζεται σε 4 στάδια, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα:

Το πρώτο στάδιο αποτελείται από τη δοκιμή πριν από τη διαρροή, στην οποία η τάση τροφοδοσίας προκαλεί πόλωση στην αποστράγγιση FET. Βασικά, η ιδέα εδώ είναι να προσπαθήσουμε να διασφαλίσουμε ότι η FET αποδίδει με τον κανονικό αναμενόμενο τρόπο.

Έτσι, στο πρώτο στάδιο το FET διατηρείται απενεργοποιημένο. Διατηρεί την τάση τροφοδοσίας μπλοκαρισμένη στους ακροδέκτες daim-emitter, χωρίς να υφίσταται οποιοδήποτε υπερβολικό ρεύμα διαρροής που ρέει μέσα από αυτό.

Στο δεύτερο στάδιο, το οποίο είναι γνωστό ως το Avalanche Current ramp up, το FET είναι ενεργοποιημένο, γεγονός που προκαλεί πτώση της τάσης αποστράγγισης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα να αυξάνεται σταδιακά μέσω του επαγωγέα με σταθερό di / dt. Έτσι, σε αυτό το στάδιο, ο επαγωγέας επιτρέπεται να φορτιστεί.

Στο τρίτο στάδιο, πραγματοποιείται η πραγματική δοκιμή χιονοστιβάδας, όπου η FET υπόκειται πρακτικά στην χιονοστιβάδα. Σε αυτό το στάδιο το FET απενεργοποιείται αφαιρώντας την προκατάληψη της πύλης του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα τεράστιο di / dt να διέλθει από τον επαγωγέα, προκαλώντας την τάση αποστράγγισης FET να πυροδοτεί υψηλά πάνω από το όριο τάσης διακοπής του FET.

Αυτό αναγκάζει το FET να περάσει από τη χιονοστιβάδα. Σε αυτήν τη διαδικασία, το FET απορροφά ολόκληρη την ενέργεια που παράγεται από τον επαγωγέα και παραμένει απενεργοποιημένο, έως ότου εκτελεστεί το 4ο στάδιο, που περιλαμβάνει τη δοκιμή μετά τη διαρροή

Σε αυτό το 4ο στάδιο, το FET υποβάλλεται και πάλι σε μια δοκιμή επανάληψης χιονοστιβάδας, για να βεβαιωθείτε ότι το MOSFET εξακολουθεί να συμπεριφέρεται κανονικά ή όχι. Εάν το κάνει, τότε το FET θεωρείται ότι έχει περάσει το τεστ χιονοστιβάδας.

Στη συνέχεια, το FET πρέπει να περάσει από την παραπάνω δοκιμή πολλές φορές, όπου το επίπεδο τάσης UIS αυξάνεται σταδιακά με κάθε δοκιμή, μέχρι το επίπεδο όπου το MOSFET δεν μπορεί να αντέξει και αποτύχει στη δοκιμή μετά τη διαρροή. Και αυτό το τρέχον επίπεδο σημειώνεται ως το μέγιστο ανθεκτικό ρεύμα UIS του MOSFET.

Υπολογισμός MOSFET Avalanche Energy

Μόλις επιτευχθεί η μέγιστη τρέχουσα ικανότητα χειρισμού UIS του MOSFET, κατά την οποία η συσκευή καταρρέει, γίνεται πολύ πιο εύκολο για τους μηχανικούς να εκτιμήσουν την ποσότητα ενέργειας που διατίθεται μέσω του FET κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χιονοστιβάδας.

Υποθέτοντας ότι, ολόκληρη η ενέργεια που αποθηκεύτηκε στον επαγωγέα διασκορπίστηκε στο MOSFET κατά τη διάρκεια της χιονοστιβάδας, αυτό το μέγεθος ενέργειας μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

ΕΙΝΑΙ_{ΟΠΩΣ ΚΑΙ}= 1 / 2L x Ι_{ΤΟΥ^δύο}

ΕΙΝΑΙ_{ΟΠΩΣ ΚΑΙ}μας δίνει το μέγεθος της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη μέσα στον επαγωγέα, το οποίο είναι ίσο με το 50% της τιμής επαγωγής πολλαπλασιαζόμενη με το ρεύμα τετραγωνικού, που ρέει μέσω του επαγωγέα.

Στη συνέχεια, παρατηρήθηκε ότι καθώς η τιμή του επαγωγέα αυξήθηκε, το ποσό του ρεύματος που ήταν υπεύθυνο για την κατανομή του MOSFET μειώθηκε.

Ωστόσο, αυτή η αύξηση του μεγέθους του πηνίου αντισταθμίζει στην πραγματικότητα αυτή τη μείωση του ρεύματος στον παραπάνω ενεργειακό τύπο με τρόπο που η ενεργειακή αξία αυξάνεται κυριολεκτικά.

Avalanche Energy ή Avalanche Current;

Αυτές είναι οι δύο παράμετροι, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν σύγχυση στους καταναλωτές, ενώ ελέγχουν ένα φύλλο δεδομένων MOSFET για βαθμολογία χιονοστιβάδας.

Πολλοί από τους κατασκευαστές MOSFET δοκιμάζουν σκόπιμα το MOSFET με μεγαλύτερους επαγωγείς, έτσι ώστε να μπορούν να διαθέτουν μεγαλύτερο μέγεθος ενέργειας χιονοστιβάδας, δημιουργώντας την εντύπωση ότι το MOSFET έχει δοκιμαστεί για αντοχή σε τεράστιες ενέργειες χιονοστιβάδας, και ως εκ τούτου έχει αυξημένη ανθεκτικότητα στην χιονοστιβάδα.

Όμως η παραπάνω μέθοδος χρήσης μεγαλύτερου επαγωγέα φαίνεται παραπλανητική, γι 'αυτό οι μηχανικοί της Texas Instruments δοκιμάζουν με μικρότερη αυτεπαγωγή στην τάξη των 0,1 mH, έτσι ώστε το υπό δοκιμή MOSFET να υπόκειται σε υψηλότερα επίπεδα πίεσης ρεύματος και ακραίων καταστροφών Avalanche.

Έτσι, στα δελτία δεδομένων, δεν είναι η ενέργεια της χιονοστιβάδας, αλλά το ρεύμα της χιονοστιβάδας που πρέπει να είναι μεγαλύτερο σε ποσότητα, το οποίο εμφανίζει καλύτερη ανθεκτικότητα MOSFET.

Αυτό καθιστά τον τελικό έλεγχο εξαιρετικά αυστηρό και επιτρέπει το φιλτράρισμα όσο το δυνατόν πιο αδύναμων MOSFET.

Αυτή η τιμή δοκιμής δεν χρησιμοποιείται μόνο ως η τελική τιμή πριν περάσει η διάταξη FET για την παραγωγή, αλλά αυτή είναι επίσης η τιμή που εισάγεται στο φύλλο δεδομένων.

Στο επόμενο βήμα, η παραπάνω τιμή δοκιμής υπολογίζεται κατά 65%, έτσι ώστε ο τελικός χρήστης να είναι σε θέση να πάρει ένα ευρύτερο περιθώριο ανοχής για τα MOSFET τους.

Έτσι, για παράδειγμα, εάν το ελεγχόμενο ρεύμα χιονοστιβάδας ήταν 125 Amps, η τελική τιμή που εισάγεται στο φύλλο δεδομένων τυχαίνει να είναι 81 Amps, μετά τον υπολογισμό.

MOSFET Avalanche Current vs Time Spent in Avalanche

Μια άλλη παράμετρος που σχετίζεται με το MOSFET ισχύος και αναφέρεται σε δελτία δεδομένων, ειδικά για τα MOSFET που έχουν σχεδιαστεί για εναλλαγή εφαρμογών είναι το Avalanche Current Capability έναντι του Time Spent στην Avalanche. Αυτή η παράμετρος εμφανίζεται κανονικά σε σχέση με τη θερμοκρασία θήκης του MOSFET στους 25 βαθμούς. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής η θερμοκρασία της θήκης αυξάνεται στους 125 βαθμούς.

Σε αυτήν την περίπτωση, η θερμοκρασία θήκης του MOSFET του MOSFET πλησιάζει πολύ στην πραγματική θερμοκρασία διασταύρωσης του καλουπιού πυριτίου του MOSFET.

Σε αυτήν τη διαδικασία καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία διασταύρωσης της συσκευής, μπορεί να περιμένετε να δείτε μια συγκεκριμένη ποσότητα υποβάθμισης που είναι αρκετά φυσιολογική; Ωστόσο, εάν το αποτέλεσμα δείχνει υψηλό επίπεδο υποβάθμισης, αυτό μπορεί να υποδηλώνει τα σημάδια μιας εγγενώς αδύναμης συσκευής MOSFET.

Επομένως, από άποψη σχεδιασμού, γίνεται μια προσπάθεια να διασφαλιστεί ότι η υποβάθμιση δεν θα υπερβαίνει το 30% για αύξηση της θερμοκρασίας του περιβλήματος από 25 σε 125 βαθμούς.

Πώς να προστατεύσετε το MOSFET από το Avalanche Current

Όπως μάθαμε από τις παραπάνω συζητήσεις, η χιονοστιβάδα στα MOSFETs αναπτύσσεται λόγω της υψηλής τάσης επαγωγικής πλάτης EMF που αλλάζει μέσω της δίοδος σώματος του MOSFET.

Εάν αυτή η πίσω τάση EMF υπερβεί τη μέγιστη βαθμολογία της δίοδος σώματος, προκαλεί ακραία παραγωγή θερμότητας στη συσκευή και επακόλουθη ζημιά.

Αυτό συνεπάγεται ότι εάν η επαγωγική τάση EMF επιτρέπεται να διέρχεται από μια εξωτερική δίοδο παράκαμψης κατάλληλης ονομασίας, κατά μήκος του εκπομπού αποχέτευσης του FET μπορεί να βοηθήσει στην αποτροπή του φαινομένου της χιονοστιβάδας.

Το παρακάτω διάγραμμα προτείνει τον τυπικό σχεδιασμό της προσθήκης μιας εξωτερικής διόδου αποχέτευσης για την ενίσχυση της εσωτερικής δίοδος σώματος του MOSFET.