Транзистор перегорел

Когда слышишь ?транзистор перегорел?, первая мысль — перегрузка по току, короткое замыкание в нагрузке. Так учат в учебниках. Но на практике, особенно с силовыми ключами в импульсных блоках питания или инверторах, причина часто оказывается тоньше. Много раз видел, как коллеги, найдя сгоревший MOSFET, сразу лезут проверять драйвер и токовый шунт, а проблема-то была в паразитной индуктивности цепи стока или в недостаточной скорости обратного восстановления body-диода. Это классика. Сам попадался на этом, когда ремонтировал сварочный инвертор — поменял полевик на, казалось бы, аналогичный по напряжению и току, а он через пару циклов снова в дым. Оказалось, у старого транзистора время восстановления диода было 35 нс, а у нового, ?аналогичного? — 75 нс. Для жесткого переключения в таком топологии это смерть. Вот и вся ?перегрузка?.

Где прячется настоящая причина

Поэтому сейчас, когда вижу почерневший корпус, первым делом смотрю не на него, а на всю обвязку. Особенно на снабберы. Часто их ставят ?по даташиту? из типовой схемы, не учитывая реальные паразитные параметры конкретного монтажа. А на высоких частотах коммутации паразитная индуктивность в несколько наногенри на пути стока уже может вызвать опасные выбросы напряжения. Проверяешь осциллографом — и видишь, как в момент выключения напряжение на стоке взлетает далеко за пределы Vds max. Транзистор держался-держался, да и пробило. И в отчете напишут: ?пробой из-за превышения напряжения?. Но корень — в конструкции платы, в длинных дорожках, в отсутствии правильного снаббера близко к выводам.

Еще один коварный момент — работа с индуктивной нагрузкой. Тут все знают про защитные диоды или варисторы. Но в силовой электронике, особенно когда речь идет о наших продуктах, вроде тех, что делает OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий — а они как раз специализируются на технологических процессах для силовых приборов — важна не просто факт наличия защиты, а ее быстродействие и расположение. TVS-диод, который должен гасить выброс, сам имеет время срабатывания. Если он стоит далеко от защищаемого MOSFET, индуктивность тракта сведет его эффективность к нулю. Видел случай на промышленном контроллере двигателя: TVS был, но на расстоянии 3 см от стока. В итоге транзистор перегорал, а диод был цел. Перепаяли, разместив вплотную — проблема ушла.

И конечно, нельзя сбрасывать со счетов статику. ESD-устройства на входах затвора — must have. Но их тоже нужно правильно выбирать. Не всякая защита подойдет для высокоскоростного драйвера, потому что добавит паразитную емкость. На сайте wfdz.ru в ассортименте компании как раз видно внимание к этой детали — есть линейки ESD-защитных устройств с разными емкостями. Для быстрого ключа выбор устройства с C=5 пФ вместо 20 пФ может быть критичным для времени нарастания фронта и, как следствие, для тепловых потерь. Потерял здесь — получил перегрев и, в перспективе, тот самый ?перегоревший? компонент.

Случай из практики: ремонт ИБП

Расскажу про конкретный случай. Принесли на ремонт источник бесперебойного питания, средний такой, на 2 кВА. Жалоба: не включается, запах гари. Вскрыл — классическая двухтактная схема на двух силовых MOSFET. Один из них визуально разрушен. Первое, что делаешь — проверяешь драйверы на соседнем, живом ключе. Импульсы есть, уровни вроде нормальные. Меняю оба транзистора на новые. Включаю на лампочку — вроде работает. Подключаю нагрузку — через минуту хлопок, дым, тот же транзистор сгорает.

Тут начинается детектив. Стал смотреть осциллографом форму напряжения на стоке в рабочем режиме с минимальной нагрузкой. Увидел не просто выбросы, а странные колебания на фронте. Похоже на резонанс в контуре. Полез проверять демпфирующие RC-цепочки (снабберы) на трансформаторе. Одна из резисторов имела подгоревший вид, прозвонка показала — сопротивление ?поплыло? вверх. Из-за этого демпфирования не было, и паразитные колебания раскачивали ключ, приводя к одновременному открытию двух транзисторов в плече (сквозные токи). Заменил резистор, поставил транзисторы — все заработало устойчиво. Мораль: сгоревший силовой ключ — это часто симптом, а болезнь — в пассивной обвязке, которую при ремонте сначала даже в голову не приходит проверить тщательно.

Роль качества самого прибора

Теперь о качестве компонента. Рынок завален дешевыми аналогами, и не всегда то, что написано на корпусе, соответствует даташиту. Особенно это касается предельных параметров, вроде энергии перенапряжения (Avalanche Energy) или максимальной температуры перехода. Компания, которая дорожит репутацией, как OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, фокусируется на отработке именно технологических процессов. Это не просто слова. От процесса зависит однородность кристаллов, стабильность параметров от партии к партии, и, в конечном счете, способность транзистора пережить тяжелый режим, не перегорая.

Был у меня опыт сравнения. Нужно было закупить партию IGBT для частотных преобразователей. Взяли для теста образцы от нескольких поставщиков, в том числе и продукцию Ванфэн. Тестировали на специальном стенде на стойкость к короткому замыканию (SCWT). У некоторых ?нонеймов? прибор выходил из строя через 2-3 микросекунды после имитации КЗ, не выдерживая теплового удара. А те, что были сделаны с упором на технологию (как раз те, что с сайта wfdz.ru), стабильно держали положенные 5-7 мкс, после чего схема защиты успевала отключить. Разница — в качестве кремния и точности литографии. Для конечного устройства это вопрос надежности и отсутствия внезапных отказов.

Поэтому, когда проектируешь устройство, которое будет работать в тяжелых условиях, выбор поставщика силовых полупроводников — это не вопрос цены в первую очередь. Это вопрос понимания, что стоит за цифрами в каталоге. Наличие в портфолио компании таких продуктов, как быстровосстанавливающиеся диоды, TVS-диоды и, конечно, MOSFET, говорит о комплексном подходе. Ведь часто транзистор перегорает из-за проблем с сопряженными элементами, и если производитель глубоко понимает физику всех этих процессов — выпрямления, восстановления, подавления перенапряжений — то и его ключевые компоненты будут более ?прощающими? к ошибкам проектировщика или сложным условиям эксплуатации.

Про тепло, которое всегда забывают

И нельзя не сказать про монтаж. Сколько раз видел красивые схемы, которые потом собирались на стенде с огромными радиаторами, а в конечном устройстве, чтобы сэкономить на размерах и стоимости, этот же радиатор становился втрое меньше. Расчет теплового режима велся ?на глазок? или для идеальных условий. А в реальном шкафу, где еще три блока греются рядом, температура окружающей среды уже не 25°C, а все 50-60°C. Запас по тепловому сопротивлению ?съедается?, кристалл перегревается, наступает тепловой пробой. И снова в отчете: ?перегрузка по току?. Хотя по току-то все в норме.

Особенно критично это для SMD-компонентов в силовых исполнениях. Площадь контактной площадки на плате, толщина фольги, наличие термопереходных отверстий — все это напрямую влияет на то, сможет ли компонент рассеять заявленную мощность. Рекомендации из даташита по layout’у печатной платы — это не прихоть, а необходимость. Игнорируешь — получаешь полевое тактильное испытание на тему ?почему транзистор перегорел?.

Тут опять же возвращаешься к вопросу о качестве компонента. У хорошего производителя в даташите будут не только электрические, но и подробные тепловые модели, рекомендации по монтажу для разных режимов. Это признак того, что компания думает о том, как ее продукт будет вести себя в реальной жизни, а не просто продает кристаллы в корпусе. Когда видишь такую документацию, как, например, можно ожидать от производителя с фокусом на R&D, как у упомянутой компании из Жугао, доверия к компоненту больше. Потому что знаешь — параметры проверены, границы работы очерчены четко, и если не выходить за них, прибор проработает долго.

Вместо заключения: алгоритм для разборок

Итак, выработал для себя некий порядок действий при встрече с перегоревшим силовым транзистором. Первое — визуальный осмотр всей платы, не только зоны поражения. Ищешь подгоревшие резисторы, вздутые конденсаторы, любые следы перегрева. Второе — проверка низкоомных цепей: токовых шунтов, обмоток трансформаторов, силовых диодов на КЗ. Третье — анализ обвязки ключа: резисторы в затворе, стабилитроны защиты затвора, снабберы. Четвертое — только потом замена транзистора и пробный пуск через лампу накаливания, с обязательным контролем осциллографом напряжений на стоке и затворе.

Часто помогает метод ?холодной? проверки драйвера — отпаять силовой ключ и посмотреть осциллографом, что приходит на затвор от схемы управления. Могут вскрыться проблемы с уровнем, с фронтами, с помехами. И да, всегда имей под рукой заведомо исправные компоненты от надежного поставщика для замены. Потому что ставить для диагностики такой же ?кота в мешке? — значит запутывать себя еще больше.

В конечном счете, фраза ?транзистор перегорел? — это начало расследования, а не его конец. И чем больше у тебя таких расследований за плечами, тем меньше ты веришь в простые объяснения и тем внимательнее смотришь на детали, которые связывают воедино теорию полупроводников, технологию производства, схемотехнику и монтаж. Это и есть та самая практика, которая отличает ремонтника от заменщика деталей.