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2023.01.11 Si 파워 디바이스

Avalanche 파괴

MOSFET의 파괴 메커니즘

Avalanche 항복이란?

MOSFET에 절대 최대 정격 BVDSS 이상의 전압이 인가되면, 브레이크 다운이 발생합니다. BVDSS 이상의 높은 전계가 인가되면 자유 전자가 가속화되어 큰 에너지를 지니게 됩니다. 이로 인해 임팩트 이온화가 발생하여 전자 – 정공을 생성합니다. 이러한 전자 – 정공이 눈사태처럼 급속하게 증가하는 현상을 Avalanche 항복이라고 합니다. Avalanche 항복 시 MOSFET의 내부 다이오드에 대해 역방향으로 흐르는 전류를 Avalanche 전류 IAS라고 합니다. (하기 그림 참조)


MOSFET의 Avalanche 파괴 시 전류 경로 개략도 (적색 부분)

Avalanche 파괴 : 쇼트 파괴

상기 그림과 같이 IAS는 MOSFET의 기생 베이스 저항 RB에 흐릅니다. 이 때, 기생 바이폴라 트랜지스터의 베이스 – 이미터 사이에 전위차 VBE가 발생하고, 이러한 전위차가 크면 기생 바이폴라 트랜지스터가 ON될 가능성이 있습니다. 기생 바이폴라 트랜지스터가 ON되면 대전류가 흘러 MOSFET가 쇼트 파괴될 우려가 있습니다.

Avalanche 파괴 : 열적 파괴

Avalanche 항복 시에는 Avalanche 전류로 인한 기생 바이폴라 트랜지스터의 셀프 turn-on으로 인한 쇼트 파괴뿐만 아니라, 도통 손실로 인해 열적으로 파괴될 가능성이 있습니다. 앞서 기술한 바와 같이, MOSFET가 브레이크 다운 상태가 되면 Avalanche 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 상태는, MOSFET에 BVDSS가 인가되어 Avalanche 전류가 흐르게 되는 상태이며, 이를 곱한 값이 전력 손실이 됩니다. 이러한 전력 손실을 Avalanche 에너지 EAS라고 합니다. 하기 그림은 Avalanche 시험 회로와 그 시험 결과의 파형을 나타낸 것입니다. 그리고, Avalanche 에너지는 식 (1)로 나타낼 수 있습니다.


Avalanche 시험의 간략 회로도


Avalanche 시험에서의 MOSFET 전압, 전류 파형

Avalanche 에너지를 나타내는 식

일반적으로 Avalanche가 보증된 MOSFET는, 사양서에 IAS나 EAS의 절대 최대 정격이 규정되어 있으므로, 자세한 수치는 해당 제품의 사양서를 참조하여 주십시오. Avalanche 전류가 흐르는 동작 환경에서는 IAS, EAS의 실제 값을 파악하여, 절대 최대 정격 범위 내에서 사용해야 합니다.

Avalanche 항복이 발생하는 예로서, 플라이백 컨버터에서 MOSFET turn-off 시의 플라이백 전압이나, 기생 인덕턴스로 인한 서지 전압 등이 있습니다. 플라이백 전압으로 인한 Avalanche 항복의 대책으로는, 플라이백 전압을 낮추도록 회로를 설계하는 방법이나, 더 고내압의 MOSFET를 사용하는 방법 등이 있습니다. 기생 인덕턴스로 인한 Avalanche 항복의 경우, 단자가 더 짧은 패키지의 MOSFET로 변경하거나, 기판 레이아웃을 개선하여 기생 인덕턴스를 줄이는 방법이 효과적입니다.

키 포인트

・MOSFET에 절대 최대 정격 BVDSS 이상의 전압이 인가되면 브레이크 다운이 발생하여, Avalanche 항복이 발생한다.

・Avalanche 항복이 발생하면, 대전류가 흘러 MOSFET가 파괴될 위험이 있다.

・Avalanche 파괴에는 쇼트 파괴와 열적 파괴가 있다.

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