この投稿では、MOSFETのアバランシェ定格について説明し、データシートでこの定格を正しく理解する方法、製造元がパラメータをテストする方法、およびこの現象からMOSFETを保護するための対策について学習します。

アバランシェパラメータは、デバイスの耐久性を検証するのに役立つだけでなく、弱いMOSFETや、より影響を受けやすい、または故障のリスクがあるMOSFETを除外するのにも役立ちます。

MOSFETアバランシェ定格とは

MOSFETアバランシェ定格は、ドレイン-ソース間電圧が最大ブレークダウン電圧（BVDSS）制限を超えたときに、MOSFETが耐えることができる最大許容エネルギー（ミリジュール）です。

この現象は通常、ドレイン端子間に誘導性負荷があるMOSFETスイッチング回路で発生します。

スイッチングサイクルのオン期間中、インダクタは充電され、オフ期間中、インダクタは、MOSFETのソース-ドレイン間で逆起電力の形で蓄積されたエネルギーを放出します。

この逆電圧はMOSFETのボディダイオードを通り抜け、その値がデバイスの最大許容限界を超えると、デバイス内で激しい熱が発生し、デバイスに危害を加えたり、永久的な損傷を与えたりします。

MOSFETアバランシェが導入されたのはいつですか

パラメータアバランシェエネルギーとUIS（アンクランプ誘導スイッチング）電流は、実際には1980年代以前のMOSFETデータシートには含まれていませんでした。

そして、それがデータシート仕様だけでなく、特にMOSFETが電源またはスイッチングの実装用に設計されている場合、多くの消費者がデバイスを生産に渡す前にFETをテストすることを要求し始めたパラメータに進化したときです。

したがって、雪崩パラメータがデータシートに表示され始めたのは1980年代以降であり、その後、プロモーション技術者は、雪崩の評価が大きいほど、デバイスの競争力が高いように見えることを理解し始めました。

エンジニアは、テストプロセスに使用された変数のいくつかを微調整することにより、パラメーターを実験するための手法を決定し始めました。

一般的に言えば、アバランシェエネルギーが大きいほど、MOSFETはより耐久性があり強力になります。したがって、アバランシェ定格が大きいほど、MOSFETの特性が強くなります。

ほとんどのFETデータシートには、通常、データシートの入力ページに直接記載されている絶対最大定格表にアバランシェパラメータが含まれています。特に、ここでAvalancheCurrentおよびAvalancheEnergy、Easとして記述されたパラメーターを表示できます。

“モーターと発電機を比較対照する ”

したがって、データシートでは、MOSFETアバランシェエネルギーは、アバランシェテストを受けている間、またはMOSFETの最大ブレークダウン電圧定格を超えたときにMOSFETが許容できるエネルギー量として示されています。

アバランチカレントとUIS

この最大ブレークダウン電圧定格は、クランプされていない誘導スイッチングテストまたはUISテストによって達成されるアバランシェ電流テストによって決定されます。

したがって、エンジニアがUIS電流について議論するとき、彼らは雪崩電流を参照している可能性があります。

クランプされていない誘導スイッチングテストを実行して、MOSFETの故障を引き起こす可能性のある電流とアバランシェエネルギーを計算します。

前述のように、これらの大きさまたは定格は、テスト仕様、特にテスト時に適用されるインダクタ値に大きく依存します。

テスト設定

次の図は、標準のUISテスト回路のセットアップを示しています。

したがって、インダクタLと直列に電圧供給があり、これもテスト対象のMOSFETと直列になっています。また、出力がFETゲート抵抗Rと直列になっているFETのゲートドライバも確認できます。

以下の画像では、FETのUIS特性を評価するためにTexasInstrumentラボで使用されているLTC55140コントローラーデバイスを示しています。

その後、UIS特性は、FETデータシートの定格だけでなく、最終テスト手順でFETをスキャンするために使用される値を見つけるのにも役立ちます。

このツールを使用すると、負荷インダクタの値を0.2〜160ミリヘンリーに調整できます。これにより、テスト対象のMOSFETのドレイン電圧を10〜150ボルトに調整できます。

その結果、100ボルトのブレークダウン電圧しか処理できない定格のFETでもスクリーニングが可能になります。また、0.1〜200アンペアのドレイン電流を流すことが可能になります。そしてこれは、FETがテスト手順中に許容しなければならない可能性のあるUIS電流範囲です。

さらに、このツールを使用すると、MOSFETケース温度のさまざまな範囲（-55〜 + 150度）を設定できます。

テスト手順

次の図に示すように、標準のUISテストは4つの段階で実装されます。

最初の段階は、電源電圧がFETドレインにバイアスをかけるプレリークテストで構成されます。基本的に、ここでの考え方は、FETが通常の期待どおりに動作していることを確認することです。

したがって、最初の段階では、FETはオフにされたままになります。これにより、ダイムエミッタ端子間で供給電圧がブロックされたままになり、過剰なリーク電流が流れることはありません。

アバランシェ電流ランプアップとして知られる第2段階では、FETがオンになり、ドレイン電圧が低下します。これにより、電流は一定のdi / dtでインダクタを介して徐々に増加します。したがって、基本的にこの段階では、インダクタは充電されます。

第3段階では、実際のアバランシェテストが実行され、FETが実際にアバランシェにさらされます。この段階で、FETはゲートバイアスを取り除くことによってオフになります。これにより、インダクタを通過する大きなdi / dtが発生し、FETのドレイン電圧がFETのブレークダウン電圧制限を超えて高くなります。

これにより、FETはアバランシェサージを通過します。このプロセスでは、FETはインダクタによって生成されたエネルギー全体を吸収し、リーク後のテストを含む4番目のステージが実行されるまでシャットオフされたままになります。

この第4段階では、MOSFETがまだ正常に動作しているかどうかを確認するために、FETに再度アバランシェテストが行われます。もしそうなら、FETはアバランシェテストに合格したと見なされます。

次に、FETは上記のテストをさらに何度も実行する必要があります。このテストでは、MOSFETが耐えられず、リーク後のテストに失敗するレベルまで、UIS電圧レベルがテストごとに徐々に増加します。そして、この電流レベルは、MOSFETの最大UIS電流耐性能力であると言われています。

MOSFETアバランシェエネルギーの計算

デバイスが故障するMOSFETの最大UIS電流処理能力が実現されると、エンジニアはアバランシェプロセス中にFETを介して放散されるエネルギー量を推定することがはるかに容易になります。

インダクタに蓄積されたエネルギー全体がアバランシェ中にMOSFETに放散されたと仮定すると、このエネルギーの大きさは次の式を使用して決定できます。

IS_なので= 1 / 2L x I_の^二

IS_なのでインダクタ内部に蓄積されたエネルギーの大きさを示します。これは、インダクタンス値の50％に電流の2乗を掛けたものに等しく、インダクタを流れます。

さらに、インダクタ値が増加するにつれて、MOSFETのブレークダウンの原因となる電流の量が実際に減少することが観察されました。

ただし、インダクタサイズのこの増加は、実際には、エネルギー値が文字通り増加するように、上記のエネルギー式の電流のこの減少を相殺します。

アバランチエネルギーまたはアバランチカレント？

これらは2つのパラメータであり、MOSFETデータシートでアバランシェ定格を確認する際に消費者を混乱させる可能性があります。

MOSFETメーカーの多くは、より大きなインダクタを使用してMOSFETを意図的にテストしているため、より大きなアバランシェエネルギーの大きさを誇ることができ、MOSFETが巨大なアバランシェエネルギーに耐えられるようにテストされているため、アバランシェに対する耐久性が向上しているという印象を与えます。

しかし、より大きなインダクタを使用する上記の方法は誤解を招くように見えます。そのため、TexasInstrumentsのエンジニアは0.1mHのオーダーのより小さなインダクタンスでテストするため、テスト対象のMOSFETはより高いアバランシェ電流と極端なブレークダウンストレスレベルにさらされます。

したがって、データシートでは、アバランシェエネルギーではなく、アバランシェ電流の量を増やす必要があります。これにより、MOSFETの堅牢性が向上します。

これにより、最終テストが非常に厳しくなり、より弱いMOSFETをできるだけ多く除外できるようになります。

このテスト値は、FETレイアウトが本番環境に渡される前の最終値として使用されるだけでなく、データシートに入力される値でもあります。

次のステップでは、上記のテスト値が65％ディレーティングされるため、エンドユーザーはMOSFETの許容範囲を広げることができます。

したがって、たとえば、テストされたアバランシェ電流が125アンペアの場合、データシートに入力される最終値は、ディレーティング後、たまたま81アンペアになります。

MOSFETアバランシェ電流とアバランシェで費やされた時間

パワーMOSFETに関連し、データシートに記載されているもう1つのパラメータは、特にスイッチングアプリケーション用に設計されたMOSFETの場合、アバランシェ電流能力とアバランシェで費やされた時間の関係です。このパラメータは通常、25度のMOSFETのケース温度に関して示されます。テスト中、ケースの温度は125度に上昇します。

この状況では、MOSFETのMOSFETのケース温度は、MOSFETのシリコンダイの実際の接合部温度に非常に近くなります。

この手順では、デバイスの接合部温度が上昇するにつれて、かなり正常なある程度の劣化が見られると予想される場合がありますか？ただし、結果が高レベルの劣化を示している場合は、本質的に弱いMOSFETデバイスの兆候を示している可能性があります。

したがって、設計の観点から、ケース温度が25度から125度に上昇しても、劣化が30％を超えないようにすることが試みられます。