Сгоревший MOSFET выглядит одинаково вне зависимости от причины. Характерный запах, иногда трещина в корпусе, нулевое сопротивление между стоком и истоком. Но за этой одинаковой картиной разрушения скрываются два принципиально разных механизма, которые ведут транзистор к одному финалу разными маршрутами. Один называется лавинным пробоем, другой тепловым разгоном. Их часто путают, нередко смешивают в одно явление, а иногда и вовсе не различают. Между тем разница между ними не академическая. Она прямо определяет, можно ли защитить транзистор, как именно это сделать и почему одни схемы переживают аварийные ситуации, а другие нет.
Индуктивный выброс как входной билет в режим лавины
Мощный MOSFET работает в схеме с индуктивной нагрузкой. Момент выключения транзистора приходит, затвор разряжается, канал закрывается. Ток через индуктор не может оборваться мгновенно, это запрещает физика. Индуктор генерирует ЭДС самоиндукции, которая поднимает напряжение на стоке выше напряжения питания. Если паразитная индуктивность монтажа добавляет свой вклад, выброс оказывается ещё острее. При достижении напряжения пробоя V(BR)DSS транзистор входит в режим лавинного пробоя. Именно здесь начинается главная история.
В режиме лавины обедненная область между стоком и телом транзистора оказывается под электрическим полем такой напряженности, что носители заряда разгоняются до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов кремния. Каждый быстрый носитель порождает новую пару электрон-дырка. Новые носители снова ускоряются полем и снова ионизируют. Процесс нарастает лавинообразно, отсюда и название. Через транзистор начинает течь ток, который называется лавинным током IAS, а напряжение на нём при этом удерживается на уровне V(BR)DSS. Весь запасённый в индукторе энергетический импульс рассеивается в кристалле в виде тепла. Это и есть UIS-режим, Unclamped Inductive Switching.
При умеренных токах и кратковременном лавинном событии транзистор способен пережить этот процесс без повреждений. Допустимая энергия лавинного события EAS для современных кремниевых MOSFET рассчитывается как EAS = (1/2) × L × IAS² × V(BR)DSS / (V(BR)DSS - VDD), и эта величина нормируется в даташите. Для типичного транзистора на 600 В с начальным лавинным током 20 А и индуктором 1 мГн допустимая EAS составляет порядка 200-400 мДж. Граница определяется тем, до какой температуры успеет нагреться кристалл за время лавинного события. Максимально допустимая температура перехода Tj(max) для кремния составляет 175 °С по спецификации, а катастрофический отказ наступает при температурах порядка 380 °С и выше.
Паразитный биполярный транзистор и активный режим отказа
Здесь физика внутреннего устройства MOSFET начинает играть против него самого. Вертикальная структура силового MOSFET неизбежно содержит паразитный биполярный npn-транзистор, образованный тремя областями: n-легированным истоком, p-легированным телом и n-легированным дрейфовым слоем. В нормальном режиме работы этот паразитный транзистор надёжно заперт: переход база-эмиттер закорочен металлизацией истока непосредственно на кристалле. Но при лавинном пробое лавинный ток течёт в поперечном направлении через p-область тела транзистора. На сопротивлении этой области возникает падение напряжения. Если это падение превышает 0,6-0,7 В, переход база-эмиттер паразитного npn-транзистора открывается.
Активация паразитного биполярного транзистора запускает процесс, который в литературе называют активным режимом отказа. Паразитный npn открывается при высоком напряжении коллектор-эмиттер, равном V(BR)DSS. При таком высоком напряжении и нарастающем токе паразитный транзистор немедленно входит в режим вторичного пробоя. Ток концентрируется в наиболее горячей точке кристалла, тепловое сопротивление кремния при высокой температуре снижается, что дополнительно ухудшает теплоотвод, температура в горячей точке растёт лавинообразно. По данным исследований Vishay, в этой горячей точке формируется так называемая "мезоплазма", светящийся сгусток с температурой выше 650 °С в среднем и выше 1000 °С в центре. Транзистор разрушается катастрофически и необратимо. Весь этот процесс укладывается в единицы микросекунд.
Критический ток, при котором активируется паразитный npn, определяется сопротивлением p-области Rp и пороговым напряжением база-эмиттер VBE. Производители снижают это сопротивление, увеличивая легирование p-тела и оптимизируя конструкцию металлизации истока. Именно поэтому устойчивость к лавинному пробою, обозначаемая как avalanche ruggedness или UIS ruggedness, напрямую зависит от технологии производства, а не только от теплового сопротивления корпуса.
Тепловой разгон как самостоятельный механизм отказа
Тепловой разгон устроен иначе и не требует лавины для своего запуска. Его можно запустить перегрузкой по току в линейном режиме, недостаточным теплоотводом при длительной работе, или комбинацией умеренного тока и высокой температуры окружающей среды. Суть механизма в следующем.
При повышении температуры кристалла обратный ток утечки через обедненные области нарастает. У кремниевых структур этот ток удваивается примерно каждые 10 °С роста температуры. Увеличение тока утечки ведёт к росту рассеиваемой мощности, что ещё сильнее нагревает кристалл. Если тепловое сопротивление системы переход-окружающая среда не обеспечивает отвод тепла быстрее, чем оно генерируется, температура нарастает без ограничений. Система вошла в петлю положительной обратной связи. Это и есть тепловой разгон в чистом виде.
У MOSFET тепловой разгон имеет одну важную особенность, отличающую его от биполярного транзистора. Сопротивление канала в открытом состоянии RDS(on) у MOSFET обладает положительным температурным коэффициентом: при нагреве сопротивление канала возрастает. Это означает, что при фиксированном напряжении затвора рост температуры ведёт к росту RDS(on), росту падения напряжения на канале и снижению тока. Механизм частично самоограничивающий. Именно благодаря этому свойству несколько параллельно включённых MOSFET способны делить ток без тенденции к перекосу: транзистор, случайно взявший больший ток, нагревается сильнее, его RDS(on) растёт, ток перераспределяется в пользу соседних приборов.
Однако при выходе за пределы области безопасной работы SOA этот самоограничивающий механизм перестаёт работать. Когда рассеиваемая мощность настолько велика, что температура переходит критическое значение, начинается лавинообразный рост тока утечки, который уже не компенсируется ростом RDS(on). Транзистор разрушается, и место разрушения определяется распределением температуры по кристаллу. В отличие от активного лавинного режима, где горячая точка формируется в долях микросекунды, тепловой разгон развивается медленнее, за время от единиц миллисекунд до секунд, и теоретически оставляет больше шансов для срабатывания защиты.
Область безопасной работы и почему она не одна для всех режимов
SOA (Safe Operating Area) на графике из даташита выглядит просто: прямоугольник в координатах ток-напряжение с несколькими ограничивающими кривыми. Но за этим графиком скрывается несколько разных физических ограничений, каждое из которых актуально в своём диапазоне длительностей.
При длительностях импульса от единиц миллисекунд до постоянного тока граница SOA определяется максимальной рассеиваемой мощностью при данном тепловом сопротивлении. При очень коротких импульсах длительностью от единиц до сотен микросекунд граница определяется локальным нагревом кристалла, и допустимая пиковая мощность оказывается значительно выше, поскольку тепло не успело распространиться от источника к подложке. Но при высоких плотностях тока в коротких импульсах вступает в игру уже упомянутое ограничение: активация паразитного npn-транзистора и вторичный пробой. Эта граница проходит в области высоких токов и коротких времён, и именно она определяет реальную устойчивость транзистора к UIS-событиям.
Для SiC MOSFET картина меняется. Карбид кремния обладает шириной запрещённой зоны 3,26 эВ против 1,12 эВ у кремния, что на порядки снижает обратный ток утечки при высоких температурах и делает классический тепловой разгон через нарастание тока утечки значительно менее вероятным. Однако паразитный биполярный транзистор в SiC MOSFET тоже существует, и порог его активации определяется встроенным потенциалом p-n перехода SiC, составляющим около 2,7 В при комнатной температуре. Это примерно в четыре раза выше, чем у кремния, что дополнительно затрудняет активацию паразитного npn и делает SiC MOSFET более устойчивыми к лавинным событиям в активном режиме отказа.
Как отличить один механизм отказа от другого по результатам анализа
Когда транзистор сгорел, возникает практический вопрос: что именно произошло? Ответ на него определяет, как изменить схему, чтобы история не повторилась.
Признаки активного лавинного отказа через паразитный npn, как правило, следующие: разрушение носит крайне локализованный характер, иногда видна единственная точка прожига кристалла, событие произошло мгновенно (транзистор вышел из строя в момент переключения при индуктивной нагрузке), рабочее напряжение шины было близко к V(BR)DSS, а индуктивность цепи коммутации велика. Анализ цепи нередко выявляет высокую паразитную индуктивность монтажа или отсутствие снаббера.
Тепловой разгон оставляет другие следы: разрушение более распределённое по площади кристалла, транзистор деградировал постепенно (сначала росло RDS(on), появлялись признаки нагрева корпуса), отказ произошёл при длительной работе под нагрузкой или при повышенной температуре окружающей среды. Тепловой анализ схемы часто выявляет недостаточный теплоотвод или неправильно выбранный режим работы за пределами SOA.
Практические меры защиты делятся в соответствии с механизмом. Против лавинных отказов работают снабберы, ограничивающие выброс напряжения ниже V(BR)DSS, транзисторы с нормированной и проверенной EAS, минимизация паразитной индуктивности петли коммутации, а также выбор резистора затвора, замедляющего выключение до приемлемого уровня dv/dt. Против теплового разгона работают правильный расчёт теплового сопротивления системы, выбор транзистора с достаточным запасом по напряжению и токовому рейтингу, контроль температуры корпуса в рабочем режиме и защита по температуре с запасом не менее 20-30 °С до Tj(max).
Два разных пути к одному внешнему результату. И единственный способ не перепутать их, это знать физику каждого достаточно хорошо, чтобы по осциллограмме аварии и месту разрушения кристалла уверенно сказать, что именно произошло.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube