MOSFET-Datenblätter richtig lesen: UIS und Avalanche-Festigkeit (Teil 1)

In MOSFET-Datenblättern muss man wissen, wonach man sucht. Während sich die Bedeutung einiger Angaben, beispielsweise Drain-Source-Spannung, Einwiderstand und Gate-Ladung, sofort erschließt, sind andere, etwa Drain-Strom und SOA-Diagramme, mehrdeutig oder nutzlos. In Teil 1 unserer Serie beschäftigen wir uns mit der UIS-Angabe und der Avalanche-Festigkeit.

In der mit diesem Artikel beginnenden Serie will ich versuchen, MOSFET-Datenblättern ihre Mysterien zu nehmen. So können Sie die sinnvollsten Daten für Ihren jeweiligen Anwendungsfall finden, ohne mit überflüssigen Informationen überfrachtet zu werden oder auch auf die Tricks hereinzufallen, mit denen einige Hersteller versuchen, ihre Bauelemente in ein besseres Licht zu rücken.

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Die Angaben UIS und Avalanche-Festigkeit

Die UIS-Angabe (Unclamped Inductive Switching; dt.: Schalten induktiver Lasten ohne Klemmung) hat sich als durchaus nützlich erwiesen, seitdem sie etwa Mitte der 1980er Jahre Einzug in die MOSFET-Datenblätter gehalten hat. Im praktischen Einsatz empfiehlt es sich zwar nicht, einen FET wiederholt zum Lawinendurchbruch zu bringen. Die Ingenieure haben jedoch gelernt, dass dieser Kennwert sie davor bewahrt, zu schwach dimensionierte Bauelemente zu verwenden, die später zu Problemen führen könnten.

Bei Bausteinen mit besonders schwachen UIS-Fähigkeiten oder stark zurückgehender Leistungsfähigkeit bei steigender Temperatur (mehr als 30% von 25 bis 125 °C) ist Vorsicht geboten, da das Ausfallrisiko hier größer ist. Auf der Hut sein sollten Entwickler auch bei Herstellern, die bei den Datenblatt-Angaben ihren FETs eine höhere Avalanche-Festigkeit bescheinigen.

Wie werden UIS-Tests durchgeführt?

UIS-Tests werden mit einer Schaltung durchgeführt, wie sie in Bild 1 zu sehen ist. An den FET wird eine Versorgungsspannung angelegt, während der Baustein abgeschaltet und auf Leckströme überprüft wird. Wird der FET anschließend eingeschaltet, steigt der Strom durch die Induktivität stetig an. Ist der gewünschte Strom erreicht, wird der FET abgeschaltet, woraufhin durch die induktive Last Ldi/dt Spannungspitzen erzeugt werden, die die Durchbruchspannung des FET letztendlich überschreiten.

Dies aktiviert den intrinsischen Bipolartransistor des Bausteins, wodurch es zum Lawinendurchbruch kommt. Dieser Test wird wiederholt durchgeführt, was den Strom immer weiter ansteigen lässt, bis der Baustein schließlich zerstört wird, was sich durch das Versagen bei der Leckstromprüfung äußert.

Die Tricksereien bei der Avalanche-Energie

Mit der Gleichung E = ½ LI² lässt sich die Avalanche-Energie eines FET berechnen und genau hier beginnen die Tricksereien. Indem man die Größe der Induktivität variiert, kann man die Belastung, der der Prüfling ausgesetzt wird, verändern. Es ist vorhersehbar, dass der zur Zerstörung des FET erforderliche UIS-Strom umso kleiner wird, je größer die Induktivität gewählt wurde.

In der Gleichung für die Avalanche-Energie wird dieser geringere Strom durch die Zunahme der Induktivität allerdings nicht kompensiert, sodass dieser Wert zunimmt, auch wenn der Strom zurückgeht. Illustriert wird dies in Tabelle 1 anhand von Daten, die bei Tests mit dem 60-V-NexFET Leistungs-MOSFET CSD18502KCS durchgeführt wurden.

Der belastendste Hochstrom-Test ist derjenige mit der kleinsten Induktivität (0,1 mH). TI verwendet deshalb eine 0,1-mH-Induktivität zum Prüfen aller Bauelemente, die in die Produktion gehen, und gibt den zugehörigen Energiewert in den Datenblättern seiner FETs an. Da es keinen festgelegten Industriestandard für diesen Induktivitätswert gibt, greifen einige Hersteller bei ihren UIS-Tests auf höhere Induktivitätswerte zurück, und wecken den Anschein einer höheren Avalanche-Festigkeit.

Für die Entwickler bedeutet dies, dass sie den Avalanche-Festigkeitsangaben mit Vorsicht begegnen und sich über die UIS-Prüfbedingungen informieren sollten, bevor sie FETs verschiedener Hersteller miteinander vergleichen.

In Teil zwei der Serie „MOSFET-Datenblätter richtig lesen“ komme ich auf das SOA-Diagramm zu sprechen, das den sicheren Arbeitsbereich angibt und in allen FET-Datenblättern zu finden ist. Dabei zeige ich an einem Beispiel, wie TI zu den Daten gelangt, mit denen dieses Diagramm erstellt wird.

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 2) – Motorsteuerungen

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 3) – Schaltnetzteile

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 4) – Online-Tools

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 5) – Schalten von Verbrauchern

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 6) – Batterieschutz

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 7) – Hot-Swap-Anwendungen

* arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Bethlehem / U.S.A.

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