Выходы из строя полевых транзисторов и как они выглядят

Представленная информация основана исключительно на практическом опыте эксплуатации преобразователей, а фотографии кристаллов — из приборов, отказавших у потребителя или в процессе наших испытаний. Транзистор — КП793, то есть MOSFET, но и для IGBT-транзистора текст был бы точно такой же, да и вышедшие из строя кристаллы MOSFET и IGBT выглядят одинаково. Информация краткая, практически тезисная. Приведены описание повреждения, физический процесс (механизм) выхода из строя, внешняя причина такого отказа и типовые ситуации (режимы), в которых отказывает транзистор. В заключение даны общие рекомендации по устранению, разумеется, без общих фраз вроде «снизить нагрузку», «поставить другой транзистор, мощнее» и т. п. В общем, материал для общего развития. Кристалл без повреждений показан на рис. 1.

Рис. 1. Годный кристалл

Выход из строя по перенапряжению

Характеризуется локальным пробоем (замыканием) стока-истока, то есть в кристалле образуется вертикальный токопроводящий канал. Внешне выглядит как точка (рис. 2, верхний правый угол), в остальном кристалл «целый». Впрочем, такой «чистый» выход по перенапряжению — редкость; как правило, после потенциального пробоя возникает ударный ток и кристалл получает уже более существенные повреждения.

Рис. 2. Выход из строя по перенапряжению

Физический процесс: между стоком и истоком очень небольшой зазор, величина которого, по сути, и определяет пробивное напряжение транзистора. Если напряжение сток-исток становится достаточным для преодоления зазора, то, что ожидаемо, образуется «искра», которая локально спекает сток с истоком.

Причина: индуктивные выбросы недопустимой для транзистора амплитуды.

Ситуации: останов электродвигателя, запуск импульсного трансформатора под емкостной нагрузкой.

Устранение: уменьшение амплитуды выброса и/или его активное ограничение, то есть установка снабберных цепей, в частности супрессора, увеличение номинала затворного резистора.

Выход из строя в жестком режиме переключения

Выглядит как побежалость по кристаллу. Причем в отличие от токового пробоя, который всегда локализуется в области истоковых разварок, данные повреждения могут быть где угодно. Это принципиальное отличие от токового выхода из строя. На рис. 3 показана область между истоковой разваркой и затвором. Часто происходит в районе затвора, не касаясь силовых разварок истока, также часто наблюдается по углам кристалла, то есть это вообще не связанно с затвором или с разварками. В общем, локально может возникнуть почти где угодно, площадью от нескольких мм² до см².

Рис. 3. Выход из строя в жестком режиме переключения

Физический процесс: известно, что кристалл транзистора состоит из множества параллельно включенных относительно маломощных транзисторов. В жестком режиме переключения, характеризующемся большим током и напряжением сток-исток в периоды включения/выключения, а главное — большой скоростью нарастания этого тока и/или напряжения, не все транзисторы успевают включиться/выключиться одновременно. Наиболее «быстрые» (локализация по кристаллу, соответственно, ближе к затвору), или транзисторы, на которые приходит главный токовый удар (в районе истоковых разварок), или в какой-то степени «дефектные» транзисторы (углы, края кристалла) получают наибольшую пиковую мощность — еще до того, как эта мощность успела распределиться по всем транзисторам кристалла. И если все транзисторы такую мощность выдержали бы (если бы было достаточно времени на распределение тока по всему кристаллу), то часть этих транзисторов такую мощность выдержать не может. Как следствие, происходит пробой локальных областей.

Причина: недопустимый di/dt в жестком режиме переключения.

Ситуации: зачастую непредсказуемо, «беспричинно», в любых режимах (в том числе на холостом ходу) и на любых этапах испытаний/эксплуатации.

Устранение: снижение скорости di/dt за счет увеличения номинала затворного резистора.

Выход из строя по току

Выглядит как выгорание истоковой области в районе разварок. В зависимости от длительности воздействия и амплитуды тока размер повреждения может быть самым разным. При кратковременном воздействии — небольшая область под разваркой, сток и исток закорочены (спекание), как на рис. 4. Если ток не был прерван, то спекшиеся сток-исток продолжают греться по причине остаточного омического сопротивления и выгорают полностью. В этом случае между стоком и истоком будет обрыв, как показано на рис. 5. Если ток был очень большим и протекал за малое время, то транзистор успевает сгореть полностью еще до образования обрыва сток-исток. Характерны следы взрыва, испарение разварочных проволок, полное сгорание кристалла. Яркий представитель — кристалл на рис. 6.

Рис. 4. Выход из строя по току (кратковременный)

Рис. 5. Выход из строя по току (длительный)

Рис. 6. Выход из строя по току (ударный неограниченный)

Физический процесс: недопустимая плотность тока для данного транзистора. И так как плотность тока всегда наибольшая под разварками, то и выгорание всегда начинается именно от разварок. При этом здесь не выделяется отдельная причина как перегрев. Не в плане внешнего нагрева кристалла (отпаивание, окисление и т. п.), а в плане одновременного воздействия тока и температуры. Выход из строя по перегреву — это на самом деле тот же токовый пробой. С ростом температуры допустимый ток транзистора снижается, и если при нормальных условиях транзистор еще справлялся с коммутируемым током, то на повышенной температуре справиться уже не может. То есть повышается температура — снижается ток выхода транзистора из состояния насыщения. В итоге все тот же выход из строя по току. Но и с другой стороны, выход из строя по току — это всегда перегрев; энергия такой величины, которую кристалл не может рассеять. В общем, в контексте выхода из строя температура и ток — это две стороны одной медали.

Причина: недопустимый ток для данной температуры эксплуатации. Можно выделить две «подпричины»: перегрев и ударный ток.

Ситуации: выход из строя непосредственно при включении преобразователя (пусковые токи) или через относительно длительное время работы под нагрузкой (перегрев).

Устранение: уменьшение нагрузки внешними цепями (управление, ограничение тока, снижение выходного тока) или улучшение теплоотвода. Непосредственно схемными решениями данные выходы из строя не устранимы.

Резюмируя вышесказанное, логично назвать ровно три причины выхода из строя транзистора с полевым управлением в реальном преобразователе: слишком большое напряжение, слишком большой ток или слишком большая скорость нарастания этого тока. Конечно, если говорить о других причинах выхода из строя кристалла, то существует пробой затвора перенапряжением, выход из строя обратного диода для MOSFET-транзистора (который, к слову, не отличается от выхода из строя сток-исток), механические повреждения кристалла, в том числе при его некорректной пайке, появление микротрещин в результате термоциклирования и т. п. Однако такие выходы из строя относительно редки, просты в своей идентификации, а потому о них и не говорилось. В остальном же все, что интересно было бы узнать практику, надеюсь, сказано.