Когда и почему выходят из строя MOSFET?

Высокие температуры и другие параметры эксплуатационной среды, превышающие пределы безопасной работы, могут привести к выходу из строя полевых транзисторов, используемых в коммутационных цепях. В статье рассматриваются несколько базовых принципов, которые позволяют избежать повреждения MOSFET.
12039
В избранное

Высокие температуры и другие параметры эксплуатационной среды, превышающие пределы безопасной работы, могут привести к выходу из строя полевых транзисторов, используемых в коммутационных цепях.

Современные полевые транзисторы MOSFET (полевой транзистор структуры металл-оксид-полупроводник) являются основными компонентами в преобразователях мощности, коммутаторах электрических цепей, в электроприводах и импульсных источниках питания (рис. 1). MOSFET отличаются высоким входным сопротивлением затвора, а ток, протекающий через канал между истоком и стоком, управляется напряжением на затворе. Однако при отсутствии надлежащей защиты высокие значения входного импеданса и коэффициента усиления могут привести к повреждению транзистора.

Рассмотрим несколько базовых принципов, позволяющих избежать повреждения MOSFET. Очевидно, напряжения между затвором и истоком, стоком и истоком не должны превышать предельные значения. То же касается и протекающего тока, ID. Существует также ограничение по мощности с учетом максимальной температуры перехода. Базовые значения для верхнего предела по этим параметрам приведены на графике в спецификации транзистора как области безопасной работы (ОБР - англ. SOA).  Применяются и другие тепловые ограничения. Например, график ОБР предполагает температуру окружающей среды 25°C при определенной температуре перехода (как правило, ниже 150°С). Но есть различные условия, которые могут вызвать высокие перепады температур, способные привести к физическому разрушению кристалла MOSFET.

Новое поколение MOSFET ON Semiconductor

Рис.1. Новое поколение MOSFET ON Semiconductor

Новое поколение MOSFET обладает пониженным сопротивлением канала «сток-исток» RDS (в открытом состоянии) для минимизации проводимости и оптимизации рабочего режима. Например, ON Semiconductor выпускает транзисторы NTMFS5C404NLT, NTMFS5C410NLT и NTMFS5C442NLT, имеющие максимальное значение RDS (во включенном состоянии) 0,74, 0,9 и 2,8 мОм, соответственно. Они дополняются комплементарными приборами NTMFS5C604NL, NTMFS5C612N и NTMFS5C646NL с номинальными напряжениями пробоя 60 В. Для облегчения температурного режима конструкции транзисторы с предельным напряжением в 40 В и 60 В рассчитаны на работу при температуре перехода до 175°C.

В связи с этим следует обратить внимание, что тепловое сопротивление транзистора - среднее значение, применимое тогда, когда весь кристалл имеет одинаковую температуру. Но MOSFET, предназначенные для импульсных блоков питания, могут иметь широкий разброс по температуре в разных зонах кристалла. Транзисторы, оптимизированные для работы в режиме включения/ выключения,  не так хорошо работают в линейной области рабочей характеристики.

Типичный режим «отказа» MOSFET связан с коротким замыканием между истоком и стоком. В этом случае только сопротивление источника питания ограничивает пиковый ток. Короткое замыкание является причиной оплавления кристалла и металла. Например, достаточно высокое напряжение между затвором и истоком (VGS) может разрушить оксидный слой затвора MOSFET. Рассчитанные на 12 В затворы скорее всего разрушатся примерно при 15 В.  Затворы, имеющие запас до 20 В, могут выйти из строя при напряжении около 25 В.

В конечном итоге превышение номинального напряжения транзистора в течение нескольких наносекунд может привести к разрушению MOSFET. Производители рекомендуют выбирать транзистор с запасом по ожидаемым уровням напряжения и при условии подавления любых скачков и импульсов напряжения.

Минимальная мощность управления затвором

MOSFET спроектированы с расчетом на то, что в открытом состоянии выделяется минимальная рассеиваемая мощность: для уменьшения рассеиваемой мощности транзистор должен быть полностью открыт. В противном случае повышенное сопротивление MOSFET приведет к выделению значительной мощности в виде тепла.

В сущности, MOSFET перегревается из-за действия высокого тока; плохой теплоотвод может быть причиной разрушения MOSFET от чрезмерной температуры. Одним из способов ограничения чрезмерного тока является параллельное соединение нескольких транзисторов, когда ток нагрузки разделяется между ними.

График зависимости рассеиваемой мощности MOSFET от температуры

Рис.2. График зависимости рассеиваемой мощности MOSFET от температуры

Графики зависимости рассеиваемой мощности транзистора от температуры позволяют судить о требуемом теплоотводе и креплении –  как в примере с представленным выше графиком ON Semiconductor для CPH3348 (рис. 2).

Многие p- и n-канальные MOSFET используются в схемах с топологией Н и L мостов, включенных между шинами напряжения питания. В этом случае, если управляющие сигналы на затворах транзисторов частично перекрываются, оба транзистора будут кратковременно находиться в открытом состоянии, фактически накоротко замыкая источник питания. Когда это происходит, все конденсаторы цепей развязки по питанию быстро разряжаются через сквозной канал из двух транзисторов (во время их переходных состояний при переключении), вызывая короткие, но большие импульсы тока.

Чтобы предотвратить одновременное открытое состояние транзисторов, необходимо обеспечить короткую паузу между их переключениями из открытого состояния в закрытое и наоборот.

График типичной ОБР для MOSFET

Рис.3. График типичной ОБР для MOSFET

На рис. 3 представлен типичный график ОБР для MOSFET CPH3348 компании ON Semiconductor. График ОБР предполагает температуру окружающей среды 25 °С при температуре перехода ниже 150 °С.

Превышение тока даже на короткое время может привести к прогрессирующему повреждению MOSFET, часто с малозаметным повышением температуры перед отказом транзистора. Многие транзисторы, имеющие высокие значения допустимого пикового тока, как правило, рассчитаны на пиковые токи длительностью примерно до 300 мкс. Это особенно важно в случае перегрузки MOSFET по пиковому току при переключении индуктивных нагрузок.

При коммутации индуктивных нагрузок должна быть предусмотрена цепь погашения обратной ЭДС во время выключения транзистора. При резком отключении напряжения питания на индуктивной нагрузке возникает всплеск обратного напряжения. На этот случай в некоторых MOSFET имеется защитный диод.

Катушки индуктивности и емкости в высокочастотных резонансных контурах способны накапливать значительное количество энергии. При определенных условиях эта высокопотенциальная энергия от всплесков обратного напряжения вызывает появление тока через встроенные диоды транзисторов MOSFET, когда один транзистор выключается, а другой включается. (Внутренний встроенный диод, подключенный между стоком и истоком, формируется в р-n переходе «корпус-сток». В n-канальных MOSFET анод встроенного диода подключается к стоку. Полярность включения становится обратной в p-канальных транзисторах.) Проблема может возникнуть из-за медленного выключения (обратного восстановления) встроенного диода, когда противоположный MOSFET пытается открыться.

Встроенные диоды MOSFET имеют длительное время восстановления запирающего слоя по сравнению с рабочими циклами самих транзисторов. Если во время работы комплементарного транзистора встроенный диод на одном MOSFET окажется в проводящем состоянии, то возникает сквозное замыкание источника питания. Эту проблему можно решить посредством диода Шоттки и диода с быстро восстанавливаемым обратным сопротивлением. Диод Шоттки подключается последовательно с истоком MOSFET и предотвращает протекание тока прямого смещения через встроенный диод MOSFET при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке. Высокоскоростной (быстрое восстановление) диод подключается параллельно с парой MOSFET/диод Шоттки, что позволяет пропустить ток, возникающий при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке, в обход MOSFET и диода Шоттки. Это гарантирует, что встроенный в MOSFET диод никогда не будет находиться в проводящем состоянии.

Зависимость теплового сопротивления от длительности открытого состояния транзистора

Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления от длительности открытого состояния транзистора

На тепловое сопротивление MOSFET может существенно влиять длительность периода включенного состояния. На рис. 4 приведен конкретный пример графика для транзистора ON Semiconductor CPH3348.

Переходные состояния

Транзисторы MOSFET рассеивают незначительную энергию, когда находятся во включенном или выключенном состоянии, но во время переходного процесса между этими состояниями выделяемая энергия значительно возрастает. Таким образом, чтобы свести к минимуму рассеиваемую мощность, желательно переключаться как можно быстрее. Так как затвор MOSFET является емкостью, он требует значительных импульсов тока заряда и разряда в течение нескольких десятков наносекунд. Пиковые токи затвора могут достигать нескольких ампер.

Высокий входной импеданс MOSFET может быть причиной нестабильности. При определенных условиях высоковольтные транзисторы могут стать генераторами высоких частот из-за паразитных индуктивностей и емкостей в окружающих цепях (частоты обычно в нижней части мегагерцового диапазона). Производители рекомендуют использовать низкоомные цепи управления затворами MOSFET, чтобы предотвратить появление в них паразитных сигналов.

Производитель: On Semiconductor
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CPH3348-TL-E
CPH3348-TL-E
On Semiconductor
Арт.: 857062 ИНФО PDF NRND
Поиск
предложений
MOSFET транзистор
CPH3348-TL-E
-
Поиск
предложений
NTMFS5C404NLT1G
NTMFS5C404NLT1G
On Semiconductor
Арт.: 1890746 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET NFET SO8FL 40V 373A 750MO
NTMFS5C404NLT1G
-
Поиск
предложений
NTMFS5C442NLT1G
NTMFS5C442NLT1G
On Semiconductor
Арт.: 1890750 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET NFET SO8FL 40V 126A 2.8MO
NTMFS5C442NLT1G
-
Поиск
предложений
NTMFS5C604NLT1G
NTMFS5C604NLT1G
On Semiconductor
Арт.: 1890752 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET NFET SO8FL 60V 289A 1.2MO
NTMFS5C604NLT1G
-
Поиск
предложений
NTMFS5C612NLT1G
On Semiconductor
Арт.: 1890754 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET NFET SO8FL 60V 219A 1.8MO
NTMFS5C612NLT1G
-
Поиск
предложений
NTMFS5C646NLT1G
NTMFS5C646NLT1G
On Semiconductor
Арт.: 1890756 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET NFET SO8FL 60V 92A 4.5MOH
NTMFS5C646NLT1G
-
Поиск
предложений
CPH3348-TL-W
CPH3348-TL-W
On Semiconductor
Арт.: 2000619 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MOSFET, P-CH, -12V, -3A, CPH-3
CPH3348-TL-W
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()