Устойчивость MOSFET транзистора к импульсам тока в индуктивной нагрузке

Компоненты и технологии, № 2'2005

Устойчивость MOSFET-транзистора

к импульсам тока в индуктивной нагрузке

В настоящее время для коммутации индуктивных нагрузок (двигатели, источники питания) часто используются мощные MOSFET-транзисторы. При этом способность прибора выдерживать всплески тока при размыкании нагрузки является одной из наиболее важных его характеристик. В статье рассмотрена физика процесса возникновения всплеска тока при однократной и периодической коммутации, даны практические советы по расчету безопасных режимов работы MOSFET-транзисторов на индуктивную нагрузку. Статья основана на Application note #10273_1 Philips Semiconductors.

Александр Борисов

bor-alex@gamma.spb.ru

Физика возникновения одиночного всплеска тока в цепи с индуктивной нагрузкой

Процесс возникновения всплеска тока в коммутируемой цепи с индуктивной, не закороченной на диод нагрузкой хорошо исследован и описан в литературе [1-3]. Для расчета или проведения эксперимента может быть использована переключающая схема, изображенная на рис. 1.

Drain

Gate Voltagei

^Vs

Sourse

Рис. 1. Тестовая схема для оценки устойчивости MOSFET-транзистора к всплескам тока в индуктивной нагрузке

Положительный импульс напряжения, приложенный к затвору транзистора (рис. 2а) открывает его, однако вследствие реактивного характера нагрузки ток в канале транзистора будет нарастать по линейному закону. Скорость нарастания будет зависеть от численного значения индуктивности нагрузки Ь и напряжения на стоке транзистора У5 (рис. 2Ь, 2с).

После окончания импульса на затворе транзистор закроется, однако вследствие реактивного характера нагрузки ток через канал не может прекратиться мгновенно. Падение напряжения на канале транзистора зафиксируется на уровне напряжения пробоя УБК до тех пор, пока ток в канале не снизится до 0 (рис. 2Ь). Напряжение пробоя находится по формуле:

Vbr ~ 1>3 х BVDSS

Vgs

Vds

Vbs

Vs

*d

Us

P

PAV(pkJ

Tu

Ti Umax)

Ti

АІ ON OFF

ІІ

Vs

АІ

АІ

Площадь фигуры = энергия, отдаваемая индуктивной нагрузкой

Лі ~f\

Uv

время

Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений в цепи MOSFET-транзистора при работе на индуктивную нагрузку — одиночное переключение ^ — напряжение на затворе транзистора VGS, Ь — напряжение сток — исток У05, c — ток в канале транзистора Ю, d — мощность, рассеиваемая на канале P, є — температура канала I)

Пиковый ток в канале транзистора до момента снятия напряжения с затвора обозначим 1А (рис. 2с). Скорость спада тока в канале зависит от величины индуктивности нагрузки и определяется следующим образом:

ІЇІМ _ - УБ

dt.

AV

Компоненты и технологии, № 2'2005

Мгновенную мощность, рассеиваемую на канале (рис. 2в), можно найти как произведение мгновенного значения тока в канале на мгновенное значение напряжения сток — исток. Максимальное значение рассеиваемой мощности РАУ(рк) будет наблюдаться в момент снятия напряжения с затвора транзистора. Энергия, отдаваемая индуктивной нагрузкой, будет численно равна площади фигуры, ограниченной графиком рассеиваемой на канале мощности РАУ, и может быть найдена по формуле:

Еаз=^*„УвК„ х II2А8

ВЯ

^}гое

Т -

1 ](тах) '

Т 4- Т

^;гое(тах) "г ;

Важный параметр, который необходимо учитывать при расчете ключевых схем — увеличение температуры канала транзистора, которая начинает возрастать в начальный момент нарастания тока в канале. Мгновенное увеличение температуры канала определяется следующим уравнением:

где — тепловой импеданс канала. Максимальное увеличение температуры канала Т)п5е(тах) приблизительно может быть определено как:

При этом делается предположение, что температура канала достигнет максимального значения в момент времени ^у/2, где % — длительность переходного процесса, обусловленного реактивностью нагрузки (рис. 2). ^*(1ау/2) — тепловой импеданс канала в момент времени 1АУ/2.

Максимальная температура канала может быть найдена из уравнения:

где Т — температура канала до момента снятия напряжения с затвора.

Устойчивость транзистора к одиночным всплескам тока в индуктивной нагрузке

Причина отказа ключевого МО8БЕТ-тран-зистора при работе на индуктивную нагрузку состоит в превышении максимально допустимой для канала температуры и, соответственно, приводит к невосстановимому разрушению транзистора. Если температура канала в случае рассеивания энергии, отдаваемой индуктивностью (рис. 2е), превысит рекомендуемое значение, прибор может быть поврежден. Обычно в документации на транзистор рекомендованная температура канала указывается ниже максимальной, что позволяет увеличить надежность конечного изделия.

В докладе [2] детально описана методика определения устойчивости транзистора к одиночным всплескам тока в цепи с реактивной составляющей. Область безопасной работы может быть определена как функция максимального тока через канал 1А5 от длительности события 1АУ. Максимальное значение тока через канал 1А5 определено таким образом, что температура канала в течение времени 1АУ не превысит 175 °С. Используя формулу (6), можно представить область безопасной работы графически (рис. 3).

На рис. 3 показаны области безопасной работы на индуктивную нагрузку (одиночные всплески тока) транзистора БиК764И0-55Б. Кривая Т^ = 25 °С определяет область безопасной работы при начальном значении температуры канала 25 °С. Максимально возможное увеличение температуры канала вследствие поглощения энергии, отдаваемой индуктивностью, составляет 150 °С, таким образом, результирующая температура канала не превышает 175 °С.

Кривая Т^ = 150 °С определяет область безопасной работы при начальном значении температуры канала 150 °С. Максимально возможное увеличение температуры канала составляет 25 °С, результирующая температура канала не превышает 175 °С.

Области, находящиеся на графике ниже кривых, являются областями безопасной работы (80А) транзистора при соответствующей начальной температуре канала.

Температура канала, при которой происходит его необратимое разрушение, составляет приблизительно 380 °С, что значительно меньше Т^шах) = 175 °С. Однако длительная работа транзистора с температурой канала, близкой к Т^шах), не рекомендуется, так как это может вызвать медленные изменения структуры прибора.

Повторяющиеся всплески тока в цепи с индуктивной нагрузкой

Процесс повторяющихся всплесков тока в цепи с индуктивной нагрузкой можно рас-

сматривать так же, как и одиночные. Однако до недавнего времени большинство производителей полупроводниковых приборов не давало рекомендаций по выбору режима работы мощных МОЗБЕТ-транзисторов на индуктивную нагрузку в условиях многократных переключений.

Так как всплеск тока в индуктивности в любом случае является отрицательным фактором, длительная работа транзистора в условиях многократных переключений может привести к деградации кристалла, даже если величина всплесков лежит в области безопасной работы для одиночного переключения (рис. 3). В описанном случае необходимо учитывать ряд дополнительных факторов, таких, как частота, скважность переключений и тепловое сопротивление прибора в режиме периодических переключений.

Для примера будем использовать переключающий каскад, показанный на рис. 1. В случае многократных переключений на затвор транзистора будут подаваться положительные импульсы с частотой fи скважностью, как показано на рис. 4 а.

Диаграммы напряжений и токов в цепи (напряжение пробоя УБК, ток канала 1с) будут аналогичны соответствующим диаграммам для режима одиночного переключения, за исключением того, что максимальный ток через канал (в момент снятия напряжения с затвора) обозначен 1АК (рис. 4Ь).

Значение мощности, рассеиваемой на канале при периодическом переключении РАУ(й), можно получить, усредняя мощность, рассеиваемую при однократном переключении (рис. 4с). Для начала необходимо рассчитать энергию, отдаваемую индуктивностью в случае однократного переключения [3], тогда:

гау(к;

= Д«Х/

Изменение температуры канала в случае периодических переключений индуктивной нагрузки показано на рис. 4й. Температура Т0

или

Компоненты и технологии, № 2'2005

Vgs

Уви

BVoss

Ias

rAV

To

^mb

Vs

A—I

rAV

AT:

'i

Uv

время

Рис. 4. Диаграммы токов и напряжений в цепи MOSFET-транзистора при работе на индуктивную нагрузку — многократные переключения (а — напряжение на затворе транзистора VGS,

Ь — напряжение сток — исток VDS и ток в канале ^, с — мощность, рассеиваемая на канале Р, d — температура канала I)

включает в себя температуру подложки транзистора ТтЬ и увеличение температуры перехода во время нагружения транзистора Тсопа:

- ттЪ + Т,

АТ^ (рис. Ы) — установившаяся температура перехода, связанная с рассеиванием мощности индуктивного всплеска:

ATj(avg) -Т0 + ATj

100

BUK764R0-55B

Зависимость тока через переход от длительности импульса тока

-25 вС -

-150 *С —Rep. Ava

Т: = 25 °С

Uv (ms) 1 о

Рис. 5. Область безопасной работы MOSFET-транзистора ВиК7641ЭД-55В при работе на индуктивную нагрузку. Температура канала ограничена значением Т^ах = 175 °С в режиме однократного переключения и Т^д) = 170 °С в режиме многократного переключения

где ^(^атЬ) тепловое сопротивление переход — среда. Сумма уравнений (8) и (9) даст усредненную температуру перехода МОББЕТ-транзистора в режиме периодических переключений индуктивной нагрузки:

Устойчивость транзистора к периодическим всплескам тока в индуктивной нагрузке

После детального изучения физики процесса периодических переключений индуктивной нагрузки понятно, что температура перехода не является единственным деструктивным фактором. Однако, одновременно ограничивая температуру перехода и ток IAR, можно определить область безопасной работы таким образом, что названные факторы не приведут к деградации кристалла в режиме многократного переключения индуктивной нагрузки.

На рис. 5 изображены области безопасной работы для MOSFET-транзистора BUK764R0-55B в режиме одиночного переключения (кривые Tj(max) = 25 °C и Tj(max) = 150 °C) и в режиме периодического переключения (кривая Rep. Ava).

Итак, для безопасной работы MOSFET-транзистора на индуктивную нагрузку в режиме периодического переключения необходимо выполнять следующие условия:

1. Ток канала IAR не должен превышать максимально допустимый, указанный на диаграмме области безопасной работы.

2. Установившаяся температура перехода Tj(avg) не должна превышать 170 “C.

Пример расчета устойчивости MOSFET-транзистора к импульсу тока в индуктивной нагрузке в режиме однократного переключения

Прибор: Philips BUK7б4R0-ЗЗB, индуктивность нагрузки: L = 2 мГн, максимальный ток в канале: IAS = 40 А, тепловое сопротивление переход — среда: Rth(j-amb) = З K/Вт.

1. Длительность переходного процесса tAV определим по формуле (2), tAV = 1,11 мс. Согласно графику на рис. З определим область безопасной работы транзистора.

2. Для проверки найдем максимально возможное увеличение температуры канала Tjrise(max), используя формулу (З) (согласно документации 2(і(ЗЗ6мкс) = 0,0бЗ K/Вт). Получим Tjrise(max) = 124,8 “C.

Согласно полученным результатам температура канала Tj в рабочем режиме не должна превышать З0 “C.

Пример расчета устойчивости транзистора к периодическим всплескам тока в индуктивной нагрузке

Прибор: Philips BUK764R0-55B, индуктивность нагрузки: L = 0,З мГн, максимальный ток в канале: IAR = б А, частота переключений: f = З кГц, тепловое сопротивление переход — среда: Rft(j-amb) = З “K/Вт, температура перехода в рабочем режиме: T0 = 100 “C.

1. Длительность переходного процесса tAV определим по формуле (2): tAV я 0,042 мс.

Согласно графику на рис. 5 определим область безопасной работы транзистора, воспользовавшись кривой Rep. Ava.

Таким образом, условие 1 выполняется — ток канала не превышает допустимый.

2. По формуле (3.1) рассчитаем энергию, отдаваемую нагрузкой при одиночном переключении: Eas = 9 мДж.

3. По формуле (7) рассчитаем усредненную мощность, выделяемую на канале:

PAV(R) = 27 Вт.

4. По формуле (9) рассчитаем усредненное увеличение температуры канала вследствие всплесков тока: ДТ^ = 135 °C.

5. По формуле (9) определим температуру канала в режиме многократного переключения индуктивной нагрузки: Tj(avg) = 235 °C. Условие 2 не выполняется, так как температура канала в режиме коммутации превышает допустимую Tj(avg) = 170 °C.

Решение: для обеспечения безопасной работы транзистора BUK764R0-55B в режиме периодических переключений необходимо понизить температуру перехода до Tj(avg) = 170 °C. Данное требование можно обеспечить применением теплоотвода, который понизит тепловое сопротивление переход — среда. Если Rth(j-amb) = 2,5 K/Вт, температура перехода будет равна Tj(avg) = 167,5 °C, таким образом, условие 2 будет выполнено. ММ

Литература

1. D. L. Blackburn. Turn-off Failure of Power MOSFETs // Proc. 1985 IEEE Power Electronics Specialists Conference. June 1985.

2. D. L. Blackburn. Power MOSFET Failure Revisited // Proc. 1988 IEEE Power Electronics Specialists Conference. April 1988.

3. Rodney R. Stoltenburg. Boundary of Power MOSFET, Unclamped Inductive-Switching (UIS) Avalanche-Current Capability // Proc. 1989 Applied Power Electronics Conference. March 1989.