ในโพสต์นี้เราจะพูดถึงการจัดอันดับหิมะถล่มของ MOSFET และเรียนรู้วิธีทำความเข้าใจการจัดอันดับนี้ในแผ่นข้อมูลอย่างถูกต้องวิธีการทดสอบพารามิเตอร์โดยผู้ผลิตและมาตรการในการปกป้อง MOSFET จากปรากฏการณ์นี้

พารามิเตอร์ Avalanche ไม่เพียง แต่ช่วยในการตรวจสอบความทนทานของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังช่วยกรอง MOSFET ที่อ่อนแอกว่าหรือตัวที่มีความอ่อนไหวหรือเสี่ยงต่อการพังทลาย

MOSFET Avalanche Rating คืออะไร

การจัดอันดับการถล่มของ MOSFET คือพลังงานที่ทนได้สูงสุด (มิลลิจูล) ที่ MOSFET สามารถทนได้เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งระบายน้ำเกินขีด จำกัด แรงดันพังทลายสูงสุด (BVDSS)

ปรากฏการณ์นี้มักเกิดขึ้นในวงจรสวิตชิ่ง MOSFET ที่มีโหลดอุปนัยผ่านขั้วท่อระบายน้ำ

ในช่วง ON ของรอบการสลับตัวเหนี่ยวนำจะชาร์จและในช่วงปิดตัวเหนี่ยวนำจะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ออกมาในรูปแบบของ EMF ด้านหลังข้ามแหล่งระบายของ MOSFET

แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับนี้จะหาทางผ่านไดโอดในร่างกายของ MOSFET และหากค่าของมันเกินขีด จำกัด สูงสุดที่ยอมรับได้ของอุปกรณ์จะทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้นภายในอุปกรณ์ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายหรือความเสียหายอย่างถาวรกับอุปกรณ์

MOSFET Avalanche เปิดตัวเมื่อใด

พารามิเตอร์ Avalanche Energy และ UIS (unclamped inductive switching) ในความเป็นจริงไม่รวมอยู่ในเอกสารข้อมูล MOSFET ก่อนปี 1980

และนั่นคือตอนที่มันไม่เพียง แต่พัฒนาเป็นข้อกำหนดแผ่นข้อมูลเท่านั้น แต่ยังเป็นพารามิเตอร์ที่ผู้บริโภคจำนวนมากเริ่มเรียกร้องให้ทดสอบ FET ก่อนที่จะส่งผ่านอุปกรณ์สำหรับการผลิตโดยเฉพาะอย่างยิ่งหาก MOSFET ได้รับการออกแบบมาสำหรับแหล่งจ่ายไฟหรือการใช้งานสวิตชิ่ง

ดังนั้นหลังจากปี 1980 เท่านั้นที่พารามิเตอร์การถล่มเริ่มปรากฏในเอกสารข้อมูลและจากนั้นช่างเทคนิคการโปรโมตก็เริ่มเข้าใจว่ายิ่งมีการจัดอันดับหิมะถล่มมากเท่าไหร่อุปกรณ์ก็ยิ่งมีการแข่งขันมากขึ้นเท่านั้น

วิศวกรเริ่มกำหนดเทคนิคในการทดลองกับพารามิเตอร์โดยปรับแต่งตัวแปรเพียงไม่กี่ตัวซึ่งใช้สำหรับกระบวนการทดสอบ

โดยทั่วไปแล้วยิ่งพลังงานหิมะถล่มมีขนาดใหญ่เท่าใด MOSFET ก็จะยิ่งทนทานและแข็งแกร่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นการจัดอันดับหิมะถล่มที่ใหญ่กว่าแสดงถึงลักษณะ MOSFET ที่แข็งแกร่งขึ้น

โดยปกติเอกสารข้อมูล FET ส่วนใหญ่จะมีพารามิเตอร์ avalanche รวมอยู่ในตารางคะแนนสูงสุดแบบสัมบูรณ์ซึ่งสามารถพบได้โดยตรงในหน้ารายการของแผ่นข้อมูล โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสามารถดูพารามิเตอร์ที่นี่ซึ่งเขียนว่า Avalanche Current และ Avalanche Energy, Eas

“วิธีการต่อสายมอสเฟต ”

ดังนั้นในเอกสารข้อมูล MOSFET Avalanche Energy จึงถูกนำเสนอเป็นปริมาณพลังงานที่ MOSFET สามารถทนได้ในขณะที่อยู่ภายใต้การทดสอบการถล่มหรือเมื่อข้ามพิกัดแรงดันไฟฟ้าพังทลายสูงสุดของ MOSFET

Avalanche Current และ UIS

พิกัดแรงดันไฟฟ้าพังทลายสูงสุดนี้กำหนดโดยการทดสอบกระแสถล่มซึ่งทำได้โดยการทดสอบการเปลี่ยนอุปนัยแบบไม่หุ้มข้อหรือการทดสอบ UIS

ดังนั้นเมื่อวิศวกรพูดคุยเกี่ยวกับ UIS ในปัจจุบันพวกเขาอาจอ้างถึง Avalanche Current

การทดสอบการเปลี่ยนอุปนัยแบบไม่หุ้มข้อจะดำเนินการเพื่อหากระแสและด้วยเหตุนี้พลังงานหิมะถล่มที่อาจทำให้เกิดความล้มเหลวของ MOSFET

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ขนาดหรือการให้คะแนนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการทดสอบอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในขณะที่ทำการทดสอบ

ทดสอบการตั้งค่า

แผนภาพต่อไปนี้แสดงวงจรทดสอบ UIS มาตรฐานที่ตั้งค่าไว้

ดังนั้นเราจึงเห็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเป็นอนุกรมพร้อมตัวเหนี่ยวนำ L ซึ่งอยู่ในอนุกรมกับ MOSFET ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ นอกจากนี้เรายังสามารถเห็นตัวขับเกตสำหรับ FET ซึ่งเอาต์พุตอยู่ในอนุกรมพร้อมกับตัวต้านทานเกต FET R

ในภาพด้านล่างเราพบว่าอุปกรณ์คอนโทรลเลอร์ LTC55140 ซึ่งใช้ในห้องทดลอง Texas Instrument เพื่อประเมินลักษณะ UIS ของ FET

คุณลักษณะ UIS ไม่เพียง แต่ช่วยในการค้นหาการจัดอันดับแผ่นข้อมูล FET เท่านั้น แต่ยังรวมถึงค่าที่ใช้ในการสแกน FET ในขั้นตอนการทดสอบขั้นสุดท้ายด้วย

เครื่องมือนี้ช่วยให้สามารถปรับค่าตัวเหนี่ยวนำโหลดได้ตั้งแต่ 0.2 ถึง 160 มิลลิเฮนรี ช่วยให้สามารถปรับแรงดันท่อระบายน้ำของ MOSFET ภายใต้การทดสอบได้ตั้งแต่ 10 ถึง 150 โวลต์

ด้วยเหตุนี้จึงทำให้สามารถตรวจสอบได้แม้กระทั่ง FETs ที่ได้รับการจัดอันดับให้รองรับแรงดันไฟฟ้าแยกสลายเพียง 100 โวลต์ และเป็นไปได้ที่จะใช้กระแสระบายตั้งแต่ 0.1 ถึง 200 แอมป์ และนี่คือช่วงปัจจุบันของ UIS ซึ่ง FET อาจต้องทนต่อในระหว่างขั้นตอนการทดสอบ

นอกจากนี้เครื่องมือนี้ยังช่วยให้สามารถตั้งค่าช่วงต่างๆของอุณหภูมิเคส MOSFET ได้ตั้งแต่ -55 ถึง +150 องศา

ขั้นตอนการทดสอบ

การทดสอบ UIS มาตรฐานดำเนินการผ่าน 4 ขั้นตอนดังที่แสดงในภาพต่อไปนี้:

ขั้นตอนแรกประกอบด้วยการทดสอบก่อนการรั่วไหลซึ่งแรงดันไฟฟ้าจะทำให้ท่อระบายน้ำ FET มีอคติ โดยพื้นฐานแล้วแนวคิดในที่นี้คือการพยายามตรวจสอบให้แน่ใจว่า FET ทำงานในลักษณะที่คาดไว้ตามปกติ

ดังนั้นในขั้นแรก FET จะถูกปิด ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าถูกปิดกั้นระหว่างขั้ว daim-emitter โดยไม่ให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหลผ่านมากเกินไป

ในขั้นตอนที่สองซึ่งเรียกว่าทางลาดขึ้นของ Avalanche Current FET จะเปิดขึ้นซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำลดลง ส่งผลให้กระแสเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ผ่านตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าคงที่ di / dt ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วในขั้นตอนนี้ตัวเหนี่ยวนำจะได้รับอนุญาตให้ชาร์จได้

ในขั้นตอนที่สามการทดสอบหิมะถล่มจริงจะดำเนินการโดยที่ FET จะต้องเผชิญกับหิมะถล่ม ในขั้นตอนนี้ FET จะปิดโดยการลบเกตไบอัส สิ่งนี้ส่งผลให้ di / dt จำนวนมากผ่านตัวเหนี่ยวนำทำให้แรงดันไฟฟ้าท่อระบายน้ำ FET ยิงสูงเกินขีด จำกัด แรงดันไฟฟ้าของ FET

สิ่งนี้บังคับให้ FET ต้องฝ่าคลื่นหิมะถล่ม ในกระบวนการนี้ FET จะดูดซับพลังงานทั้งหมดที่เกิดจากตัวเหนี่ยวนำและจะยังคงปิดอยู่จนกว่าจะดำเนินการขั้นตอนที่ 4 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทดสอบหลังการรั่วไหล

ในขั้นตอนที่ 4 นี้ FET จะต้องผ่านการทดสอบการถล่มซ้ำอีกครั้งเพื่อให้แน่ใจว่า MOSFET ยังทำงานได้ตามปกติหรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น FET จะถือว่าผ่านการทดสอบการถล่มแล้ว

จากนั้น FET จะต้องผ่านการทดสอบข้างต้นอีกหลายครั้งโดยที่ระดับแรงดันไฟฟ้า UIS จะค่อยๆเพิ่มขึ้นในการทดสอบแต่ละครั้งจนถึงระดับที่ MOSFET ไม่สามารถทนต่อและไม่ผ่านการทดสอบหลังการรั่วไหล และระดับปัจจุบันนี้จะถูกบันทึกว่าเป็น UIS สูงสุดของ MOSFET ที่ทนต่อความสามารถในปัจจุบัน

การคำนวณ MOSFET Avalanche Energy

เมื่อทราบถึงขีดความสามารถในการจัดการปัจจุบันสูงสุดของ UIS ของ MOSFET แล้วเมื่ออุปกรณ์หยุดทำงานวิศวกรจะประเมินปริมาณพลังงานที่กระจายผ่าน FET ได้ง่ายขึ้นในระหว่างกระบวนการหิมะถล่ม

สมมติว่าพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำถูกกระจายไปยัง MOSFET ในช่วงหิมะถล่มขนาดพลังงานนี้สามารถกำหนดได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

คือ_เช่น= 1 / 2L x I_{ของ^สอง}

คือ_เช่นทำให้เรามีขนาดของพลังงานที่เก็บอยู่ภายในตัวเหนี่ยวนำซึ่งเท่ากับ 50% ของค่าความเหนี่ยวนำคูณด้วยกระแสกำลังสองที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ

ยิ่งไปกว่านั้นพบว่าเมื่อค่าตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่รับผิดชอบต่อการสลาย MOSFET จะลดลงอย่างแท้จริง

อย่างไรก็ตามการเพิ่มขนาดตัวเหนี่ยวนำนี้จะชดเชยการลดลงของกระแสในสูตรพลังงานข้างต้นในลักษณะที่ค่าพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างแท้จริง

Avalanche Energy หรือ Avalanche Current?

นี่คือพารามิเตอร์สองตัวที่อาจทำให้ผู้บริโภคสับสนในขณะที่ตรวจสอบแผ่นข้อมูล MOSFET เพื่อดูคะแนนถล่ม

ผู้ผลิต MOSFET หลายรายตั้งใจทดสอบ MOSFET ด้วยตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อให้สามารถอวดขนาดพลังงานหิมะถล่มที่ใหญ่ขึ้นสร้างความประทับใจว่า MOSFET ได้รับการทดสอบว่าสามารถทนต่อพลังงานหิมะถล่มขนาดใหญ่ได้ดังนั้นจึงมีความทนทานเพิ่มขึ้นในการถล่ม

แต่วิธีการข้างต้นในการใช้ตัวเหนี่ยวนำที่ใหญ่กว่านั้นดูทำให้เข้าใจผิดนั่นคือเหตุผลที่วิศวกรของ Texas Instruments ทดสอบด้วยค่าการเหนี่ยวนำที่น้อยลงในลำดับ 0.1 mH เพื่อให้ MOSFET ที่อยู่ระหว่างการทดสอบอยู่ภายใต้กระแสหิมะถล่มที่สูงขึ้นและระดับความเครียดจากการสลายตัวที่สูงขึ้น

ดังนั้นในเอกสารข้อมูลจึงไม่ใช่พลังงาน Avalanche แต่เป็นกระแส Avalanche ที่ควรมีปริมาณมากกว่าซึ่งแสดงความทนทานของ MOSFET ที่ดีกว่า

สิ่งนี้ทำให้การทดสอบขั้นสุดท้ายมีความเข้มงวดสูงและช่วยให้สามารถกรอง MOSFET ที่อ่อนแอกว่าให้ได้มากที่สุด

ค่าการทดสอบนี้ไม่เพียงใช้เป็นค่าสุดท้ายก่อนที่จะส่งเค้าโครง FET สำหรับการผลิตเท่านั้น แต่ยังเป็นค่าที่ป้อนในแผ่นข้อมูลด้วย

ในขั้นตอนต่อไปค่าทดสอบข้างต้นจะถูกหักออกเป็น 65% เพื่อให้ผู้ใช้ปลายทางได้รับค่าเผื่อที่กว้างขึ้นสำหรับ MOSFET ของตน

ตัวอย่างเช่นหากกระแสหิมะถล่มที่ทดสอบคือ 125 แอมป์ค่าสุดท้ายที่ป้อนในแผ่นข้อมูลจะเป็น 81 แอมป์หลังจากการลดขนาด

MOSFET Avalanche Current เทียบกับเวลาที่ใช้ใน Avalanche

พารามิเตอร์อื่นที่เชื่อมโยงกับ power MOSFET และกล่าวถึงในเอกสารข้อมูลโดยเฉพาะสำหรับ MOSFET ที่ออกแบบมาสำหรับการสลับแอปพลิเคชันคือ Avalanche Current Capability เทียบกับ Time Spent ใน Avalanche โดยปกติพารามิเตอร์นี้จะแสดงตามอุณหภูมิเคสของ MOSFET ที่ 25 องศา ในระหว่างการทดสอบอุณหภูมิเคสจะเพิ่มขึ้นเป็น 125 องศา

ในสถานการณ์นี้อุณหภูมิเคสของ MOSFET ของ MOSFET จะใกล้เคียงกับอุณหภูมิทางแยกที่แท้จริงของแม่พิมพ์ซิลิกอนของ MOSFET

ในขั้นตอนนี้เมื่ออุณหภูมิทางแยกของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นคุณอาจคาดว่าจะเห็นการย่อยสลายจำนวนหนึ่งซึ่งค่อนข้างปกติ? อย่างไรก็ตามหากผลลัพธ์แสดงการย่อยสลายในระดับสูงนั่นอาจบ่งบอกถึงสัญญาณของอุปกรณ์ MOSFET ที่อ่อนแอโดยเนื้อแท้

ดังนั้นจากมุมมองการออกแบบจึงมีความพยายามเพื่อให้แน่ใจว่าการย่อยสลายไม่เกิน 30% สำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเคสจาก 25 เป็น 125 องศา

วิธีป้องกัน MOSFET จาก Avalanche Current

ดังที่เราได้เรียนรู้จากการอภิปรายข้างต้นหิมะถล่มใน MOSFET ได้รับการพัฒนาเนื่องจากการสลับ EMF แบบเหนี่ยวนำไฟฟ้าแรงสูงผ่านไดโอดในร่างกายของ MOSFET

หากแรงดันไฟฟ้า EMF ด้านหลังนี้เกินพิกัดสูงสุดของไดโอดร่างกายจะทำให้เกิดความร้อนสูงในอุปกรณ์และเกิดความเสียหายตามมา

นี่หมายความว่าหากแรงดันไฟฟ้า EMF แบบอุปนัยได้รับอนุญาตให้ผ่านไดโอดบายพาสที่ได้รับการจัดอันดับที่เหมาะสมภายนอกผ่านตัวปล่อยท่อระบายน้ำของ FET อาจช่วยป้องกันปรากฏการณ์หิมะถล่มได้

แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงการออกแบบมาตรฐานของการเพิ่มไดโอดระบาย - ตัวปล่อยท่อระบายน้ำภายนอกสำหรับการเสริมแรงไดโอดภายในของ MOSFET