이 게시물에서는 MOSFET 애벌랜치 등급에 대해 논의하고 데이터 시트에서이 등급을 올바르게 이해하는 방법, 제조업체에서 매개 변수를 테스트하는 방법,이 현상으로부터 MOSFET을 보호하는 방법에 대해 알아 봅니다.

애벌랜치 매개 변수는 장치의 견고성을 확인하는 데 도움이 될뿐만 아니라 약한 MOSFET 또는 더 취약하거나 고장의 위험이있는 MOSFET을 필터링하는 데 도움이됩니다.

MOSFET 눈사태 등급이란?

MOSFET 애벌랜치 등급은 드레인-소스 전압이 최대 항복 전압 (BVDSS) 제한을 초과 할 때 MOSFET이 견딜 수있는 최대 허용 에너지 (밀리 줄)입니다.

이 현상은 일반적으로 드레인 단자에 유도 성 부하가있는 MOSFET 스위칭 회로에서 발생합니다.

스위칭 사이클의 ON 기간 동안 인덕터는 충전되고 OFF 기간 동안 인덕터는 MOSFET의 소스-드레인에 걸쳐 역기전력 형태로 저장된 에너지를 방출합니다.

이 역 전압은 MOSFET의 바디 다이오드를 통과하며, 그 값이 장치의 최대 허용 한계를 초과하면 장치 내에서 강렬한 열이 발생하여 장치에 영구적 인 손상을 입히거나 손상을 입 힙니다.

MOSFET Avalanche가 도입 된시기

매개 변수 Avalanche Energy 및 UIS (Unclamped Inductive Switching) 전류는 실제로 1980 년대 이전에 MOSFET 데이터 시트에 포함되지 않았습니다.

그리고 그것은 데이터 시트 사양뿐만 아니라 많은 소비자들이 특히 MOSFET이 전원 공급 장치 또는 스위칭 구현을 위해 설계되는 경우 생산을 위해 장치를 통과하기 전에 FET를 테스트하도록 요구하기 시작한 매개 변수로 발전했습니다.

따라서 데이터 시트에 눈사태 매개 변수가 나타나기 시작한 것은 1980 년대 이후 였고, 승진 기술자들은 눈사태 등급이 클수록 장치가 더 경쟁력이 있다는 것을 이해하기 시작했습니다.

엔지니어들은 테스트 프로세스에 사용 된 몇 가지 변수를 조정하여 매개 변수를 실험하기위한 기술을 결정하기 시작했습니다.

일반적으로 눈사태 에너지가 클수록 MOSFET이 더 견고하고 강해집니다. 따라서 더 큰 애벌랜치 등급은 더 강력한 MOSFET 특성을 나타냅니다.

대부분의 FET 데이터 시트에는 일반적으로 데이터 시트의 시작 페이지에서 직접 찾을 수있는 Absolute Maximum Ratings Table에 포함 된 avalanche 매개 변수가 있습니다. 특히 여기에서 Avalanche Current 및 Avalanche Energy, Eas로 작성된 매개 변수를 볼 수 있습니다.

“단극 이중 던지기의 의미 ”

따라서 데이터 시트에서 MOSFET Avalanche Energy는 애벌랜치 테스트를받는 동안 또는 MOSFET의 최대 항복 전압 정격을 초과 할 때 MOSFET이 견딜 수있는 에너지 양으로 표시됩니다.

눈사태 전류 및 UIS

이 최대 항복 전압 등급은 언 클램프 유도 스위칭 테스트 또는 UIS 테스트를 통해 수행되는 눈사태 전류 테스트를 통해 결정됩니다.

따라서 엔지니어가 UIS 전류에 대해 논의 할 때 Avalanche Current를 언급 할 수 있습니다.

Unclamped Inductive Switching 테스트는 전류와 MOSFET 고장을 유발할 수있는 눈사태 에너지를 파악하기 위해 수행됩니다.

앞서 언급했듯이 이러한 크기 또는 등급은 테스트 사양, 특히 테스트 시점에 적용된 인덕터 값에 따라 크게 달라집니다.

테스트 설정

다음 다이어그램은 표준 UIS 테스트 회로 설정을 보여줍니다.

따라서 우리는 인덕터 L과 직렬로 연결된 전압 공급 장치를 볼 수 있으며, 이는 또한 테스트중인 MOSFET과 직렬로 연결됩니다. 출력이 FET 게이트 저항 R과 직렬 인 FET 용 게이트 드라이버도 볼 수 있습니다.

아래 이미지에서 FET의 UIS 특성을 평가하기 위해 Texas Instrument 실험실에서 사용되는 LTC55140 컨트롤러 장치를 찾을 수 있습니다.

이후 UIS 특성은 FET 데이터 시트 등급을 찾는 데 도움이 될뿐만 아니라 최종 테스트 절차에서 FET를 스캔하는 데 사용되는 값도 알아내는 데 도움이됩니다.

이 도구를 사용하면 부하 인덕터 값을 0.2에서 160 밀리 헨리로 조정할 수 있습니다. 테스트중인 MOSFET의 드레인 전압을 10V에서 150V로 조정할 수 있습니다.

결과적으로 100V 항복 전압 만 처리하도록 등급이 지정된 FET도 스크리닝 할 수 있습니다. 그리고 0.1 ~ 200A의 드레인 전류를인가 할 수있게됩니다. 그리고 이것은 FET가 테스트 절차 중에 허용해야하는 UIS 전류 범위입니다.

또한이 도구를 사용하면 -55도에서 +150도까지 다양한 범위의 MOSFET 케이스 온도를 설정할 수 있습니다.

테스트 절차

표준 UIS 테스트는 다음 이미지와 같이 4 단계를 통해 구현됩니다.

첫 번째 단계는 공급 전압이 FET 드레인을 바이어스하는 사전 누설 테스트로 구성됩니다. 기본적으로 여기서 아이디어는 FET가 정상적인 예상 방식으로 작동하는지 확인하는 것입니다.

따라서 첫 번째 단계에서 FET는 꺼진 상태로 유지됩니다. 그것은 어떤 종류의 과도한 누설 전류가 흐르는 것을 경험하지 않고 daim-emitter 단자에 걸쳐 공급 전압을 차단합니다.

눈사태 전류 램프 업으로 알려진 두 번째 단계에서는 FET가 켜지고 드레인 전압이 떨어집니다. 이로 인해 전류가 일정한 di / dt로 인덕터를 통해 점진적으로 증가합니다. 따라서 기본적으로이 단계에서 인덕터는 충전이 허용됩니다.

세 번째 단계에서는 FET가 실제로 눈사태에 노출되는 실제 눈사태 테스트가 수행됩니다. 이 단계에서 FET는 게이트 바이어스를 제거하여 꺼집니다. 이로 인해 인덕터를 통과하는 엄청난 di / dt가 발생하여 FET 드레인 전압이 FET의 항복 전압 한계보다 높게 솟아납니다.

이것은 FET가 눈사태 서지를 통과하도록합니다. 이 과정에서 FET는 인덕터에 의해 생성 된 전체 에너지를 흡수하고 사후 누설 테스트를 포함하는 4 단계가 실행될 때까지 차단 상태를 유지합니다.

이 4 단계에서 FET는 MOSFET이 여전히 정상적으로 작동하는지 여부를 확인하기 위해 반복적 인 눈사태 테스트를 다시 한 번받습니다. 그렇다면 FET는 눈사태 테스트를 통과 한 것으로 간주됩니다.

다음으로, FET는 위의 테스트를 여러 번 거쳐야하며, MOSFET이 견딜 수없고 누설 후 테스트에 실패 할 때까지 UIS 전압 레벨이 각 테스트마다 점차 증가합니다. 그리고이 전류 레벨은 MOSFET의 최대 UIS 전류 저항 능력으로 알려져 있습니다.

MOSFET 눈사태 에너지 계산

MOSFET의 최대 UIS 전류 처리 용량이 실현되면 장치가 고장 나면 엔지니어는 애벌랜치 프로세스 동안 FET를 통해 소산되는 에너지 양을 추정하는 것이 훨씬 쉬워집니다.

인덕터에 저장된 전체 에너지가 눈사태 동안 MOSFET으로 소실되었다고 가정하면이 에너지 크기는 다음 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다.

IS_같이= 1 / 2L x 나_의^두

IS_같이인덕터를 통해 흐르는 전류의 제곱을 곱한 인덕턴스 값의 50 %에 해당하는 인덕터 내부에 저장된 에너지의 크기를 제공합니다.

또한 인덕터 값이 증가함에 따라 MOSFET 고장을 일으키는 전류량이 실제로 감소하는 것으로 관찰되었습니다.

그러나 인덕터 크기의 이러한 증가는 실제로 에너지 값이 문자 그대로 증가하는 방식으로 위의 에너지 공식에서 전류 감소를 상쇄합니다.

눈사태 에너지 또는 눈사태 전류?

이는 소비자에게 혼란을 줄 수있는 두 가지 매개 변수이며 애벌랜치 등급에 대한 MOSFET 데이터 시트를 확인합니다.

많은 MOSFET 제조업체가 의도적으로 더 큰 인덕터로 MOSFET을 테스트하여 더 큰 눈사태 에너지 크기를 자랑 할 수 있으므로 MOSFET이 거대한 눈사태 에너지를 견디는 것으로 테스트되어 눈사태에 대한 내구성이 향상된다는 인상을줍니다.

그러나 더 큰 인덕터를 사용하는 위의 방법은 오해의 소지가있는 것처럼 보이므로 Texas Instruments 엔지니어는 0.1mH 정도의 더 작은 인덕턴스로 테스트하여 테스트중인 MOSFET이 더 높은 Avalanche 전류와 극심한 항복 스트레스 수준을 받게됩니다.

따라서 데이터 시트에서 더 나은 MOSFET 견고성을 표시하는 것은 Avalanche 에너지가 아니라 양이 더 커야하는 Avalanche 전류입니다.

이는 최종 테스트를 매우 엄격하게 만들고 가능한 한 많은 약한 MOSFET을 필터링 할 수있게합니다.

이 테스트 값은 FET 레이아웃이 생산을 위해 통과되기 전 최종 값으로 사용될뿐만 아니라 데이터 시트에 입력 된 값이기도합니다.

다음 단계에서는 위의 테스트 값이 65 % 감소하여 최종 사용자가 MOSFET에 대해 더 넓은 허용 오차 마진을 얻을 수 있습니다.

예를 들어, 테스트 된 눈사태 전류가 125A 였다면 데이터 시트에 입력 된 최종 값은 경감 후 81A가됩니다.

MOSFET 눈사태 전류 대 눈사태에서 소요 된 시간

특히 스위칭 애플리케이션 용으로 설계된 MOSFET의 경우 전력 MOSFET과 관련되고 데이터 시트에 언급 된 또 다른 매개 변수는 Avalanche Current Capability와 Avalanche의 소요 시간입니다. 이 매개 변수는 일반적으로 25도에서 MOSFET의 케이스 온도와 관련하여 표시됩니다. 테스트 중 케이스 온도는 125도까지 증가합니다.

이 상황에서 MOSFET의 MOSFET 케이스 온도는 MOSFET 실리콘 다이의 실제 접합 온도에 매우 가깝습니다.

이 절차에서 장치의 접합 온도가 증가함에 따라 정상적인 성능 저하가 발생할 것으로 예상 할 수 있습니다. 그러나 결과가 높은 수준의 저하를 나타내면 본질적으로 약한 MOSFET 장치의 징후 일 수 있습니다.

따라서 설계 관점에서 케이스 온도가 25도에서 125도까지 상승 할 때 열화가 30 %를 넘지 않도록하기위한 시도가 이루어집니다.