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.

Физика возникновения
одиночного всплеска тока в цепи
с индуктивной нагрузкой

Процесс возникновения всплеска тока в коммути
руемой цепи с индуктивной, не закороченной на ди
од нагрузкой хорошо исследован и описан в литера
туре [1–3]. Для расчета или проведения эксперимен
та может быть использована переключающая схема,
изображенная на рис. 1.

Положительный импульс напряжения, приложен
ный к затвору транзистора (рис. 2a) открывает его,
однако вследствие реактивного характера нагрузки
ток в канале транзистора будет нарастать по линей
ному закону. Скорость нарастания будет зависеть
от численного значения индуктивности нагрузки L
и напряжения на стоке транзистора V_S (рис. 2b, 2c).

После окончания импульса на затворе транзистор
закроется, однако вследствие реактивного характера
нагрузки ток через канал не может прекратиться мгно
венно. Падение напряжения на канале транзистора
зафиксируется на уровне напряжения пробоя VBR
до тех пор, пока ток в канале не снизится до 0 (рис. 2b).

Напряжение пробоя находится по формуле:

V_BR ≈ 1,3 x BV_DSS (1)

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

(2)

Мгновенную мощность, рассеиваемую
на канале (рис. 2в), можно найти как произве
дение мгновенного значения тока в канале
на мгновенное значение напряжения сток —
исток. Максимальное значение рассеиваемой
мощности P_AV(pk) будет наблюдаться в момент
снятия напряжения с затвора транзистора.
Энергия, отдаваемая индуктивной нагрузкой, бу
дет численно равна площади фигуры, ограни
ченной графиком рассеиваемой на канале мощ
ности P_AV, и может быть найдена по формуле:

(3.1)

или

(3.2)

Важный параметр, который необходимо
учитывать при расчете ключевых схем — уве
личение температуры канала транзистора, ко
торая начинает возрастать в начальный мо
мент нарастания тока в канале. Мгновенное
увеличение температуры канала определяет
ся следующим уравнением:

(4)

где Z_th — тепловой импеданс канала. Макси
мальное увеличение температуры канала
T_jrise(max) приблизительно может быть опреде
лено как:

(5)

При этом делается предположение, что тем-
пература канала достигнет максимального зна-
чения в момент времени t_AV/2, где t_AV — дли
тельность переходного процесса, обусловлен
ного реактивностью нагрузки (рис. 2).
Z_th(tAV/2) — тепловой импеданс канала в момент
времени t_AV/2.

Максимальная температура канала может
быть найдена из уравнения:

(6)

где T_j — температура канала до момента сня
тия напряжения с затвора.

Устойчивость транзистора
к одиночным всплескам тока
в индуктивной нагрузке

Причина отказа ключевого MOSFET-тран
зистора при работе на индуктивную нагрузку
состоит в превышении максимально допусти
мой для канала температуры и, соответствен
но, приводит к невосстановимому разруше
нию транзистора. Если температура канала
в случае рассеивания энергии, отдаваемой ин
дуктивностью (рис. 2e), превысит рекоменду
емое значение, прибор может быть повреж
ден. Обычно в документации на транзистор
рекомендованная температура канала указы
вается ниже максимальной, что позволяет уве
личить надежность конечного изделия.

В докладе [2] детально описана методика оп
ределения устойчивости транзистора к оди
ночным всплескам тока в цепи с реактивной
составляющей. Область безопасной работы
может быть определена как функция макси
мального тока через канал I_AS от длительнос
ти события t_AV. Максимальное значение тока
через канал I_AS определено таким образом, что
температура канала в течение времени tAV
не превысит 175 °C. Используя формулу (6),
можно представить область безопасной рабо
ты графически (рис. 3).

На рис. 3 показаны области безопасной рабо
ты на индуктивную нагрузку (одиночные вспле
ски тока) транзистора BUK764R0-55B. Кривая
T_j = 25 °C определяет область безопасной рабо
ты при начальном значении температуры кана
ла 25 °C.Максимально возможное увеличение
температуры канала вследствие поглощения
энергии, отдаваемой индуктивностью, состав
ляет 150 °C, таким образом, результирующая
температура канала не превышает 175 °C.

Кривая T_j = 150 °C определяет область безо
пасной работы при начальном значении тем
пературы канала 150 °C. Максимально возмож
ное увеличение температуры канала составля
ет 25 °C, результирующая температура канала
не превышает 175 °C.

Области, находящиеся на графике ниже кри
вых, являются областями безопасной работы
(SOA) транзистора при соответствующей на
чальной температуре канала.

Температура канала, при которой происхо
дит его необратимое разрушение, составляет
приблизительно 380 °C, что значительно
меньше T_j(max) = 175 °C. Однако длительная
работа транзистора с температурой канала,
близкой к T_j(max), 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 рассматривать так же, как и одиночные. Однако
до недавнего времени большинство произво
дителей полупроводниковых приборов не да
вало рекомендаций по выбору режима рабо
ты мощных MOSFET-транзисторов на индук
тивную 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, да
же если величина всплесков лежит в облас
ти безопасной работы для одиночного пе
реключения (рис. 3). В описанном случае не
обходимо учитывать ряд дополнительных
факторов, таких, как частота, скважность
переключений и тепловое сопротивление
R_th прибора в режиме периодических пере
ключений.

Для примера будем использовать переклю
чающий каскад, показанный на рис. 1. В слу
чае многократных переключений на затвор
транзистора будут подаваться положительные
импульсы с частотой f и скважностью, как по
казано на рис. 4а.

Диаграммы напряжений и токов в цепи (на
пряжение пробоя V_BR, ток канала I_D) будут ана
логичны соответствующим диаграммам для
режима одиночного переключения, за исклю
чением того, что максимальный ток через ка
нал (в момент снятия напряжения с затвора)
обозначен I_AR (рис. 4b).

Значение мощности, рассеиваемой на кана
ле при периодическом переключении P_AV(R),
можно получить, усредняя мощность, рассе
иваемую при однократном переключении
(рис. 4c). Для начала необходимо рассчитать
энергию, отдаваемую индуктивностью в слу
чае однократного переключения [3], тогда:

P_AV(R) = E_AS × ƒ (7)

Изменение температуры канала в случае периодических переключений индуктивной нагрузки показано на рис. 4d. Температура T0 включает в себя температуру подложки тран
зистора T_mb и увеличение температуры перехода во время нагружения транзистора T_cond:

T_o = T_mb + T_cond (8)

ΔT_j(рис. 4d)— установившаяся температура перехода, связанная с рассеиванием мощности индуктивного всплеска:

ΔT_j= P_AV(R) × R_th(j-amb), (9)

где R_th(j-amb) — тепловое сопротивление переход — среда. Сумма уравнений (8) и (9) даст
усредненную температуру перехода MOSFET-транзистора в режиме периодических переключений индуктивной нагрузки:

ΔT_avg = T _o + ΔT_j (10)

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 I_AR,
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 T_j(max) = 25 ΔC и T_j(max) = 150 ΔC) и в ре
жиме периодического переключения (кривая Rep. Ava).

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

• Ток канала IAR не должен превышать максимально допустимый, указанный на диаграмме области безопасной работы.
• Установившаяся температура перехода T_j(avg)
  не должна превышать 170 °C.

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

Прибор: Philips BUK764R0-55B, индуктивность нагрузки: L = 2 мГн, максимальный ток
в канале: I_AS = 40 А, тепловое сопротивление
переход — среда: R_th(j–amb) = 5 K/Вт.

1. Длительность переходного процесса t_AV
   определим по формуле (2), t_AV = 1,11 мс.
   Согласно графику на рис. 5 определим область безопасной работы транзистора.
2. Для проверки найдем максимально возможное увеличение температуры канала T_jrise(max),
   используя формулу (5) (согласно документации Z_th(556мкс) = 0,065 K/Вт). Получим
   T_jrise(max) = 124,8 °C.

T_jrise(max) = 124,8 °C.
Согласно полученным результатам температура канала T_j в рабочем режиме не должна
превышать 50 °C.

Пример расчета устойчивости
транзистора к периодическим
всплескам тока в индуктивной нагрузке

Прибор: Philips BUK764R0-55B, индуктивность нагрузки: L = 0,5 мГн, максимальный
ток в канале: I_AR = 6 А, частота переключений:
f = 3 кГц, тепловое сопротивление переход—среда: R_th(j–amb) = 5 °K/Вт, температура перехода в рабочем режиме: T0 = 100 °C.

1. Длительность переходного процесса t_AV
   определим по формуле (2):t_AV = 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: E_AS = 9 мДж.
3. По формуле (7) рассчитаем усредненную мощность, выделяемую на канале:
   P_AV(R) = 27 Вт.
4. По формуле (9) рассчитаем усредненное увеличение температуры канала вследствие
   всплесков тока:ΔT_j = 135 °C
5. По формуле (9) определим температуру канала в режиме многократного переключения индуктивной нагрузки: T_j(avg) = 235 °C.
   Условие 2 не выполняется, так как температура канала в режиме коммутации превышает допустимую T_j(avg) = 170 °C.

Условие 2 не выполняется, так как температура канала в режиме коммутации превышает допустимую T_j(avg) = 170 °C.

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

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.