Zrozumieć bezpieczny obszar operacyjny MOSFET lub SOA

Jeśli zastanawiasz się lub martwisz o to, ile dokładnie mocy Twój MOSFET może wytrzymać w ekstremalnych warunkach lub w ekstremalnych sytuacjach rozpraszania, to wartości SOA urządzenia są dokładnie tym, na co powinieneś patrzeć.

W tym poście będziemy kompleksowo omawiać Bezpieczny obszar operacyjny lub SOA, tak jak jest to przedstawione w arkuszu danych MOSFET.

Poniżej znajduje się bezpieczny obszar operacyjny MOSFET lub wykres SOA, który jest normalnie widoczny we wszystkich Texas Instruments Arkusze danych.

MOSFET SOA jest opisywany jako wielkość, która określa maksymalną moc, jaką FET może obsłużyć, gdy działa w obszarze nasycenia.

Powiększony widok wykresu SOA można zobaczyć na poniższym obrazku.

Na powyższym wykresie SOA możemy zobaczyć wszystkie te ograniczenia i granice. W dalszej części wykresu znajdujemy dodatkowe ograniczenia dla wielu różnych indywidualnych czasów trwania impulsu. Te linie wewnątrz wykresu można określić za pomocą obliczeń lub pomiarów fizycznych.

We wcześniejszych i starszych arkuszach danych parametry te oszacowano za pomocą obliczonych wartości.

Jednak zwykle zaleca się, aby te parametry były praktycznie mierzone. Jeśli ocenisz je za pomocą wzorów, możesz otrzymać hipotetyczne wartości, które mogą być dosłownie znacznie większe niż tolerancja FET w rzeczywistych zastosowaniach. A może możesz obniżyć (nadmiernie skompensować) parametry do poziomu, który może być zbyt stonowany, w stosunku do tego, z czym FET może faktycznie sobie poradzić.

Tak więc w naszych kolejnych dyskusjach uczymy się parametrów SOA, które są oceniane za pomocą rzeczywistych praktycznych metod, a nie za pomocą formuł lub symulacji.

Zacznijmy od zrozumienia, czym jest tryb nasycenia i tryb liniowy w tranzystorach FET.

Tryb liniowy a tryb nasycenia

Odnosząc się do powyższego wykresu, tryb liniowy jest zdefiniowany jako obszar, w którym rezystancja RDS (on) lub rezystancja dren-źródło tranzystora FET jest stała.

Oznacza to, że prąd przepływający przez FET jest wprost proporcjonalny do odchylenia od drenu do źródła przez FET. Jest również często nazywany obszarem omowym, ponieważ FET działa zasadniczo podobnie do stałego rezystora.

Teraz, jeśli zaczniemy zwiększać napięcie polaryzacji źródła drenu do FET, ostatecznie znajdziemy FET działający w regionie znanym jako obszar nasycenia. Po wymuszeniu działania MOSFET w obszarze nasycenia prąd (amper) przepływający przez tranzystor MOSFET przez dren do źródła nie reaguje już na wzrost napięcia polaryzacji między drenem a źródłem.

Dlatego niezależnie od tego, o ile zwiększysz napięcie drenu, ten tranzystor FET nadal przesyła przez niego ustalony maksymalny poziom prądu.

Jedynym sposobem manipulowania prądem jest zwykle zmiana napięcia bramki do źródła.

Jednak ta sytuacja wydaje się nieco zagadkowa, ponieważ są to generalnie wasze podręcznikowe opisy obszarów liniowych i nasyconych. Wcześniej dowiedzieliśmy się, że ten parametr jest dość często nazywany obszarem omowym. Niemniej jednak niektórzy nazywają to regionem liniowym. Być może nastawienie jest takie, cóż, wygląda to na linię prostą, więc musi być liniowe?

Jeśli zauważysz, że ludzie dyskutują o aplikacjach typu hot-swap, powiedzą, że pracuję w regionie liniowym. Ale to zasadniczo jest technologicznie niewłaściwe.

Zrozumienie MOSFET SOA

Skoro wiemy, czym jest region nasycenia FET, możemy teraz szczegółowo przejrzeć nasz wykres SOA. SOA można podzielić na 5 indywidualnych ograniczeń. Dowiedzmy się, czym dokładnie są.

Ograniczenie RDS (on)

Pierwsza linia na wykresie, która jest koloru szarego, przedstawia ograniczenie RDS (on) tranzystora FET. I jest to obszar, który skutecznie ogranicza maksymalną ilość prądu płynącego przez FET ze względu na rezystancję włączenia urządzenia.

Innymi słowy, wskazuje najwyższą rezystancję tranzystora MOSFET, jaka może występować przy maksymalnej tolerowanej temperaturze złącza MOSFET.

Zauważamy, że ta szara linia ma dodatnie stałe nachylenie jedności, po prostu dlatego, że każdy punkt w tej linii ma identyczną wartość oporu ON, zgodnie z prawem Ohma, które mówi, że R jest równe V podzielone przez I.

Bieżące ograniczenie

Kolejna linia ograniczenia na wykresie SOA przedstawia bieżące ograniczenie. Na wykresie można zobaczyć różne wartości pulsu wskazywane przez niebieskie, zielone i fioletowe linie, ograniczone przy 400 amperach przez górną poziomą czarną linię.

Krótki poziomy odcinek CZERWONEJ linii wskazuje granicę pakietu urządzenia lub ciągłą granicę prądu (DC) FET przy około 200 amperach.

Ograniczenie maksymalnej mocy

Trzecie ograniczenie SOA to maksymalna linia ograniczenia mocy tranzystora MOSFET, reprezentowana przez pomarańczową nachyloną linię.

Jak zauważamy, linia ta ma stałe nachylenie, ale ujemne. Jest stała, ponieważ każdy punkt na tej linii granicznej mocy SOA ma tę samą stałą moc, reprezentowaną wzorem P = IV.

W związku z tym na tej krzywej logarytmicznej SOA generuje nachylenie o wartości -1. Znak ujemny wynika z faktu, że przepływ prądu przez tranzystor MOSFET tutaj maleje wraz ze wzrostem napięcia źródła drenu.

Zjawisko to wynika przede wszystkim z charakterystyki ujemnego współczynnika tranzystora MOSFET, który ogranicza przepływ prądu przez urządzenie, gdy temperatura jego złącza wzrasta.

Ograniczenie niestabilności termicznej

Następnie czwarte ograniczenie MOSFET w jego bezpiecznym obszarze roboczym jest oznaczone żółtą nachyloną linią, która reprezentuje ograniczenie niestabilności termicznej.

To w tym regionie SOA staje się naprawdę kluczowe, aby zmierzyć wydajność urządzenia. Dzieje się tak, ponieważ tego regionu niestabilności termicznej nie można przewidzieć żadnymi właściwymi środkami.

Dlatego praktycznie musimy przeanalizować MOSFET w tym obszarze, aby dowiedzieć się, gdzie FET może zawieść i jakie dokładnie są możliwości pracy konkretnego urządzenia?

W ten sposób możemy teraz zobaczyć, czy gdybyśmy przyjęli to ograniczenie maksymalnej mocy i rozciągnęli je aż do dołu żółtej linii, to nagle, co znaleźliśmy?

Stwierdzamy, że ograniczenie awarii MOSFET znajduje się na bardzo niskim poziomie, który ma znacznie niższą wartość w porównaniu z regionem ograniczenia maksymalnej mocy promowanym w arkuszu danych (reprezentowanym przez pomarańczowe nachylenie).

Albo załóżmy, że jesteśmy zbyt konserwatywni i mówimy ludziom, że, zobaczcie, dolny obszar żółtej linii jest w rzeczywistości tym, co FET może obsłużyć na maksimum. Cóż, możemy być po najbezpieczniejszej stronie z tą deklaracją, ale wtedy moglibyśmy nadmiernie skompensować zdolność ograniczania mocy urządzenia, co może nie być rozsądne, prawda?

Właśnie dlatego tego obszaru niestabilności termicznej nie można określić ani określić za pomocą wzorów, ale należy go faktycznie przetestować.

Ograniczenie napięcia przebicia

Piątym obszarem ograniczenia na wykresie SOA jest ograniczenie napięcia przebicia, reprezentowane przez czarną pionową linię. Jest to jedynie maksymalna zdolność przenoszenia napięcia źródła drenu przez tranzystor FET.

Jak pokazano na wykresie, urządzenie jest wyposażone w system BVDSS o napięciu 100 V, co wyjaśnia, dlaczego ta czarna pionowa linia jest wymuszona przy napięciu 100 V znak Drain-Source.

Byłoby interesujące zbadać nieco dokładniej wcześniejsze pojęcie niestabilności termicznej. Aby to osiągnąć, będziemy musieli zarysować wyrażenie określane jako „współczynnik temperaturowy”.

Współczynnik temperaturowy MOSFET

Współczynnik temperaturowy MOSFET można zdefiniować jako zmianę prądu w stosunku do zmiany temperatury złącza MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Dlatego, gdy badamy krzywą charakterystyki przenoszenia tranzystora MOSFET w jego arkuszu danych, znajdujemy prąd drenu do źródła tranzystora FET w porównaniu z rosnącym napięciem bramki do źródła tranzystora FET, okazuje się również, że ta charakterystyka jest oceniana na 3 różne zakresy temperatur.

Zerowy współczynnik temperaturowy (ZTC)

Jeśli spojrzymy na punkt reprezentowany przez pomarańczowe kółko, to właśnie wskażemy jako zerowy współczynnik temperaturowy MOSFET .

W tym momencie, nawet jeśli temperatura złącza urządzenia stale rośnie, nie powoduje poprawy przepływu prądu przez tranzystor FET.

∂I_re/ ∂T_jot = 0 , gdzie ja_re jest prądem drenu tranzystora MOSFET, T_jot reprezentuje temperaturę złącza urządzenia

Jeśli spojrzymy na obszar powyżej tego zerowego współczynnika temperaturowego (pomarańczowe kółko), gdy przechodzimy od ujemnej wartości -55 do 125 stopni Celsjusza, prąd płynący przez FET faktycznie zaczyna spadać.

∂I_re/ ∂T_jot <0

Ta sytuacja wskazuje, że tranzystor MOSFET naprawdę się nagrzewa, ale moc rozpraszana przez urządzenie spada. Oznacza to, że w rzeczywistości nie ma niebezpieczeństwa niestabilności urządzenia, a przegrzanie urządzenia może być dopuszczalne, aw przeciwieństwie do BJT prawdopodobnie nie ma ryzyka wystąpienia sytuacji ucieczki termicznej.

Jednak przy prądach w obszarze poniżej zera współczynnika temperaturowego (pomarańczowe kółko) zauważamy trend, w którym wzrost temperatury urządzenia, czyli w poprzek ujemnej -55 do 125 stopni, powoduje, że prądowa zdolność przenoszenia urządzenie faktycznie wzrosnąć.

∂I_re/ ∂T_jot > 0

Dzieje się tak, ponieważ współczynnik temperaturowy MOSFET-u jest w tych punktach wyższy od zera. Ale z drugiej strony wzrost prądu płynącego przez tranzystor MOSFET powoduje proporcjonalny wzrost RDS (on) tranzystora MOSFET (rezystancja źródła drenu), a także powoduje proporcjonalny wzrost temperatury ciała urządzenia, prowadząc do dalszego prądu przenieść przez urządzenie. Kiedy tranzystor MOSFET dostanie się do tego obszaru pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, może rozwinąć się niestabilność zachowania MOSFET.

Jednak nikt nie jest w stanie stwierdzić, czy powyższa sytuacja może się zdarzyć, czy nie, i nie ma łatwego projektu do prognozowania, kiedy tego rodzaju niestabilność może pojawić się w tranzycie MOSFET.

Dzieje się tak, ponieważ z tranzystorem MOSFET może być zaangażowanych wiele parametrów, w zależności od samej struktury gęstości komórek lub elastyczności pakietu, aby równomiernie rozpraszać ciepło w całym korpusie MOSFET.

Z powodu tych niepewności, czynniki takie jak niekontrolowany wzrost temperatury lub jakakolwiek niestabilność termiczna we wskazanych regionach muszą zostać potwierdzone dla każdego konkretnego tranzystora MOSFET. Nie, tych atrybutów tranzystora MOSFET nie można odgadnąć po prostu stosując równanie maksymalnej straty mocy.

Dlaczego SOA jest tak ważne

Wartości SOA mogą być niezwykle przydatne w zastosowaniach MOSFET, w których urządzenie jest często używane w obszarach nasycenia.

Przydaje się również w hot-swap lub aplikacje kontrolera Oring, w przypadku których kluczowe staje się dokładne określenie, jaką moc MOSFET będzie w stanie tolerować, odwołując się do ich wykresów SOA.

Praktycznie zauważysz, że wartości bezpiecznego obszaru roboczego MOSFET są bardzo przydatne dla większości konsumentów zajmujących się sterowaniem silnikiem, falownikiem / przetwornikiem lub produktami SMPS, gdzie urządzenie jest zwykle używane w ekstremalnych temperaturach lub warunkach przeciążenia.

Źródła: Szkolenie MOSFET , Bezpieczny obszar operacyjny